WO2005075845A1 - 固定式等速自在継手 - Google Patents

Abstract

複数のトルク伝達ボール３０を有する固定式等速自在継手１において、トルク−捩れ角線図における入力トルク０Ｎｍ時に捩れ角がほぼ０となるようにする。また、トルク−捩れ角線図において、入力トルク０Ｎｍ付近の捩り剛性を１．５Ｎｍ／deg～６Ｎｍ／degの範囲にする。

Description

明細書 固定式等速自在継 · 技術分野 本発明は固定式等速自在継手に関する。 本発明の固定式等速自在継手は、 ステ ァリング装置用としてのみならず、 ドライブシャフ卜やプロペラシャフトといつ た自動車の動力伝達系、 さらには各種産業機械の動力伝達系にも使用することが できる。 背景技術 等速自在継手は、 入出力軸間の角度変位のみを許容する固定式と、 角度変位お よび軸方向変位を許容するスライド式に大別され、 それぞれ用途■使用条件等に 応じて機種選定される。 固定式等速自在継手としては、 ッ: Lツバ型 （以下、 Γ Β J」 と称する） やアンダーカツトフリー型 （以下、 「U J」 と称する） が広く知 られている。 B Jおよび U Jのいずれも、 内周に複数の曲線状のボール溝を有す る外輪と、 外周に複数の曲線状のボール溝を有する内輪と、 外輪のボール溝と内 輪のポール溝との間に組み込まれたポールと、 ボールを保持する保持器とで構成 される。 外輪のポール溝中心は外輪内球面中心に対して外輪開口側、 また、 内輪 のポール溝中心は内輪外球面中心に対して外輪奥側に位置し、 軸方向で互いに逆 方向に等距離だけオフセットしている。 したがって、 外輪のボール溝と内輪のボ ール溝とで構成されるボールトラックは継手の軸線方向の一方から他方に向かつ て徐々に縮小または拡大する楔形となっている。 B Jでは各ボール溝の全域が曲 線状になっているが、 U Jでは各ポール溝の一方の端部が軸線と平行なス卜レー ト状になっている。 一般的に自動車用ステアリングジョイン卜にはカルダンジョイン卜を 2個以上 使用している。 このジョイントは、 単体では不等速なことから、 等速性を確保す るために互いの変動成分を打ち消し合うよう配置し使用している。 このため車両 の設計自由度が損なわれるという問題がある。 任意の角度で等速性が確保できる 等速自在継手をステアリング用軸継手として用いることで、 車両の設計自由度が 増すことは可能であるが、 等速自在継手は回転方向ガタが大きいため、 車両直進 付近のステアリング操作感の悪化や、 異音の原因となることが懸念される。 これ を解決するため、 特開 2 0 0 3—1 3 0 0 8 2号公報にて、 等速自在継手内部に 予圧手段を設けてトラックすきまを詰めることを提案している。 ここに、 トラッ クすきまとは、 ボール.トラックとトルク伝達ボールとの間のすきま、 より具体的 には外輪のボール溝とトルク伝達ボールとの間および内輪のボール溝とトルク伝 達ボールとの間のすきまをいう。 固定式等速自在継手には機能及び加工面からトラックすきまが存在し、 また、 外輪の内球面とケージの外球面との間および内輪の外球面とケ一ジの内球面との 間にもすきまが存在する。 これらのすきまが存在することにより、 継手の中立状 態で内輪または外輪のどちらか一方を固定して他方をラジアル方向またはアキシ アル方向に移動させることができ、 そのときの移動量を、 移動方向によってラジ アルすきま又はアキシアルすきまと呼ぶばれる。 これらのすきまは、 内■外輪間 の円周方向のガタツキ （回転バックラッシ） に大きく影響を与え、 特にトラック すきまが大きい程回転バックラッシも大きくなる。 このため、 ある程度の回転バ ックラッシは避けられないことから、 この種の固定式等速自在継手は、 例えば自 動車のステアリング装置のように回転バックラッシを嫌う用途には一般採用され るには至っていない。 特開 2 0 0 3— 1 3 0 0 8 2号公報に記載された発明は、 回転バックラッシを 詰めることを目的にした固定式等速自在継手であるが、 車両への取付条件によつ てはヒステリシスが大きくなリ、 車両の直進付近の操縦安定性（以下、 「操安性 j という） を損なう可能性がある。 本発明の主要な目的は、 固定型等速自在継手の円周方向ガタ （バックラッシ） をなくしてフィーリング特性を向上させることにある。 発明の開示 本発明は、 内球面の円周方向等配位置に軸方向に伸びるボール溝を形成した外 輪と、 外球面の円周方向等配位置に軸方向に延びるボール溝を形成した内輪と、 外輪のボール溝と内輪のボール溝とで形成された楔形のポールトラックに配置さ れたポールと、 外輪の内球面と内輪の外球面との間に介在してボールを保持する 保持器とを具備した固定式等速自在継手において、 トルク一捩れ角線図における 入力トルク O N m時に捩れ角がほぼ 0であることを特徴とするものである。 また、 本発明は、 内球面の円周方向等配位置に軸方向に伸びるボール溝を形成 した外輪と、 外球面の円周方向等配位置に軸方向に延びるボール溝を形成した内 輪と、 外輪のボール溝と内輪のボール溝とで形成された楔形のボールトラックに 配置されたボールと、 外輪の内球面と内輪の外球面との間に介在してボールを保 持する保持器とを具備した固定式等速自在継手において、 トルク一捩れ角線図に おいて、 入力トルク 0 N m付近の捩リ剛性を、 1 . 5 N mZdeg〜 6 N mZdegの 範囲にしたことを特徴とするものである。 上記固定式等速自在継手は、 弾性的な押圧力を軸方向に作用させる押圧部を内 輪側に設け、 前記押圧部からの押圧力を受ける受け部を保持器に設けたものとす ることができる。 また、 外輪のボール溝中心は内球面中心に対し開口側に位置す る。よって、内輪のポール溝中心は外球面中心に対し外輪開口部よリ奥側となる。 このような機構をもつことで、 外輪のボール溝と内輪のボール溝とで構成される ポール卜ラックは外輪の開口側に向かって拡開する楔形となり、 押圧力により内 輪が外輪開口側に軸方向変位するとトラックすきまが詰められ回転バックラッシ を防止することが可能となる。 具体的に説明すると、 押圧部 5 2を内輪 2 0とセレ一ション結合されたシャフ 卜 2に、 受け部 5 8を保持器 4 0にそれぞれ設け、 押圧部 5 2と受け部 5 8の弾 性的な当接により、内輪 2 0が外輪 1 0開口側へ押圧される（図 3、図 4参照）。 内輪 2 0のボール溝 2 4の形状は外輪 1 0の奥側に向かって拡径しているため、 この移動により、 ボールトラックのラジアルすきまが詰められ、 回転パックラッ シの発生が防止される。 ところで、 一般的に固定式等速自在継手においては、 機能及び加工面から、 外 輪の内球面とケージ外球面との間、 内輪の外球面とケージ内球面との間にもすき まが存在する。 このうち後者の内輪の外球面とケージ内球面との間の球面すきま で形成されるアキシアルすきまがトラックすきまに由来するアキシアルすきまよ リも小さいと、 トラックすきま由来のアキシアルすきまが完全に詰められる以前 に内輪と保持器が当接するため、 それ以上トラックすきま由来のアキシアルすき まを詰めることには限界がある。 したがって、 内輪と保持器との間のアキシアル すきまは、 トラックすきま由来のアキシアルすきまよりも大きくすることが望ま しい。 本発明の固定式等速自在継手は、 電動パワーステアリング装置を含む各種のス テアリング装置に採用することができ、 当該ステアリング装置を搭載した自動車 の操縦安定性の向上に寄与する。 本発明の固定式等速自在継手は、 また、 ステア リング装置に限らず、 ドライブシャフト用、 プロペラシャフト用にも適用するこ とができる。 なお、 ステアリング装置としては、 モータによって補助力を付与す る電動パワーステアリング装置 （E P S ) でも油圧式パワーステアリング装置で もよい。 本発明によれば、 固定型等速自在継手の円周方向ガタ （バックラッシ） がなく なリフィーリング特性が向上する。 図面の簡単な説明 図 1 Aは本発明の実施の形態を示すトルク一捩り線図、 図 1 Bは比較例を示す トルク一捩り線図である。

図 2 Aはステアリング装置の平面図、 図 2 Bはステアリング装置の側面図、 図 2 Cはステアリング装置の斜視図である。 図 3は固定式等速自在継手の縦断面図である。

図 4は図 3の要部拡大図である。

図 5は図 3の要部拡大図である。

図 6は図 3の継手の折リ曲げ角をとった状態の縦断面図である。

図 7はステアリング用固定式等速自在継手の略図である。

図 8は図 7の継手のトルク一捩れ角線図である。

図 9はステアリング用固定式等速自在継手の略図である。

図 1 0は図 9の継手のトルク一振れ角線図である。

図 1 1は位相を 1 0 ° ごとに変えた場合のトルク一捩れ角線図である。 発明を実施する最良の形態 以下、 本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。 まず、 ステアリング装置について簡単に説明する。 図 2 Aないし 2 Cに示すよ うに、 ステアリング装置は、 ステアリングホイール 6の回転運動を、 一または複 数のステアリングシャフト 2からなるステアリングコラムを介してステアリング ギヤ 8に伝達することにより、 タイロッド 9の往復運動に変換するようにしたも のである。 車載スペース等との兼ね合いでステアリングシャフト 2を一直線に配 置できない場合は、 ステアリングシャフト 2間に一または複数の自在継手 1を配 置し、 ステアリングシャフト 2を屈曲させた状態でもステアリングギヤ 8に正確 な回転運動を伝達できるようにしている。 この自在継手 1に固定式等速自在継手 を使用する。 図 2 Bにおける符号 Ofは継手の折り曲げ角度を表しており、 折り曲 げ角度 Ofが 3 0 ° を越える大角度も設定可能である。 続いて固定式等速自在継手について説明する。 図 3〜図 6は、 固定式等速自在 継手の一種であるツエッパ型ジョイント （B J ) を例示するものである。 図 3に 示すように、 このタイプの等速自在継手 1は、 外側継手部材 1 0と、 内側継手部 材 2 0と、 トルク伝達ボール 3 0と、 保持器 4 0を主要な構成要素として成り立 つている。 外側継手部材 1 0は入力軸または出力軸と接続し、 内側継手部材 2 0 は出力軸または入力軸と接続する。 ここでは内側継手部材 2 0はシャフト 2とセ レーシヨン結合している。 外側継手部材 1 0は一端にて開口したカップ状で、 内球面 1 2の円周方向等配 位置に、 軸方向に延びるボール溝 1 4を形成してある。 内側継手部材 2 0は、 外 球面 2 2の円周方向等配位置に、 軸方向に延びるボール溝 2 4を形成してある。 外側継手部材 1 0のポール溝 1 4と内側継手部材 2 0のボール溝 2 4とは対をな して軸方向の一方から他方へ楔状に縮小または拡大するボール卜ラックを形成し、 各ボールトラックに 1個のトルク伝達ポール 3 0が組み込んである。 保持器 4 0 は外側継手部材 1 0の内球面 1 2と内側継手部材 2 0の外球面 2 2との間に摺動 自在に介在し、 各トルク伝達ボール 3 0は保持器 4 0のポケット 4 6に収容され る。 ' 保持器 4 0の外球面 4 2は外側継手部材 1 0の内球面 1 2と球面接触し、 保持 器 4 0の内球面 4 4は内側継手部材 2 0の外球面 2 2と球面嵌合している。 そし て、 外側継手部材 1 0の内球面 1 2の曲率中心と、 内側継手部材 2 0の外球面 2 2の曲率中心は継手中心 Oと一致している。 外側継手部材 1 0のボール溝 1 4の 曲率中心 0と、 内側継手部材 2 0のボール溝 2 4の曲率中心 0₂は、 軸方向で、 互 いに逆方向に等距離だけオフセッ卜している。 このため、 一対のボール溝 1 4， 2 4により形成されるボールトラックは、 外側継手部材 1 0の開口側から奥部側 に向かって縮小する楔状を呈している。 この固定式等速自在継手において、 図 6に示すように、 外側継手部材 1 0と内 側継手部材 2 0とがどのような作動角つまり折り曲げ角 0をとつても、 トルク伝 達ボール 3 0が常に折り曲げ角 0の二等分線に垂直な平面内に維持され、 継手の 等速性が確保される。 図 3に示すように、 シャフト 2の軸端に押圧部材 5 0を設けてある。 押圧部材 5 0は図 4に示すように、 押圧部 5 2としてポール、 弾性部材 5 4として圧縮コ ィルばね、 押圧部 5 2と弾性部材 5 4をアッセンブリイするためのケース 5 5か ら構成される。弾性部材 5 4は押圧部 5 2を通じて弾性力として作用する。また、 押圧部 5 2は半球状または先端に凸球面を形成した円柱状でもよい。 ケース 5 5 は、 内側継手部材 2 0とセレーシヨン結合で一体化されたシャフト 2の先端部に 圧入あるいは接着剤等の適宜の手段で固定される。 保持器 4 0の外側継手部材 1 0の奥側の端部には受け部材 5 6を取り付けてあ る。 この受け部材 5 6は保持器 4 0の端部開口を覆う蓋状で （図 3参照） 、 部分 球面状の球面部 5 6 aとその外周に環状に形成された取付け部 5 6 bとで構成さ れる。 球面部 5 6 aの内面 （シャフト 2と対向する面） は凹球面で、 この凹球面 は押圧部 5 2からの押圧力を受ける受け部 5 8として機能する。 取付け部 5 6 b は、 保持器 4 0の端部に圧入、 溶接等の適宜の手段で固定されている。 継手が折り曲げ角をとつた際に押圧部材 5 0と受け部材 5 6をスムーズに摺動 させるため、 図 5に示すように、 凹球面状の受け部 5 8の内径寸法 R oを押圧部 5 2の半径 r (図 4 ) よりも大きくする （R o > r ) 。 また、 図 6に示すように 折り曲げ角 0をとつた際の受け部材 5 6と内側継手部材 2 0との干渉を防止する ため、 受け部 5 8の内径寸法 R oを保持器 4 0の内球面 4 4の半径寸法 R iより も大きくする （R o > R ί ) 。 以上の構成において、 シャフト 2のセレーシヨン軸部と内側継手部材 2 0をセ レーシヨン結合し、 止め輪 4を装着して両者が完全に結合されると （図 3または 図 4参照） 、 押圧部材 5 0の押圧部 5 2と受け部材 5 6の受け部 5 8とが互いに 当接し、 弾性部材 5 4が圧縮される。 これにより、 シャフト 2と一体化された内 側継手部材 2 0が、 弾性力により外側継手部材の開口側に軸方向変位し、 この変 位により、 内輪 2 0のボール溝 2 4の形状は外輪 1 0の奥側に向かって拡径して いるため、 トラックすきま由来のアキシアルすきまが詰められ、 回転バックラッ シが防止される。 回転バックラッシをなくするためには、 自動車に実装した状態に作用する種々 条件を勘案して弾性部材 5 4の弾発力を設定する必要がある。 たとえば、 シャフ 卜 2の自重が弾性部材 5 4に作用する場合には当該シャフト自重やプランジング 力を考慮しなければならない。 また、 ステアリング系における振動も考慮に入れ るのが望ましい。 このようにしてばね力の設定を最適化することにより、 常にガ タ詰めが成され、 軸方向あるいは径方向の入力により生じるすきまに起因する異 音も回避することができる。 なお、 以上の説明では固定式等速自在継手として B Jを例にとったが、 本発明 はこれに限らず、 ボール溝 1 4， 2 4の一部にストレート部を有するアンダー力 ットフリージョイントその他の固定式等速自在継手であっても同様に適用するこ とができ、 同様の効果を奏する。 上述の固定式等速自在継手 1をステアリング用軸継手として車両に取り付ける にあたっては、 車両の直進状態でのステアリングシャフト 2の折れ曲がり位相が 等速自在継手 1のボール溝 1 4， 2 4方向になるように合わせておくのが好まし し、。 言い換えれば、 ステアリングシャフト 2の折り曲げ方向がボール溝 1 4， 2 4方向となる回転方向位相と、 車両の直進状態のステアリングホイール回転位相 を一致させるのである。 これにより、 ヒステリシスの増加に伴う操安性の悪化を 回避することができる。 より具体的には、 図 7に示すように、 車両の直進状態で のステアリングシャフト 2の折れ曲がり位相が等速自在継手 1のボール溝 1 4， 2 4方向となるようにして取り付ける。 図 9は比較例として、 ステアリングシャ フト 2の折れ曲がり方向が等速自在継手 1のボール溝 1 4， 2 4間方向である場 合を示す。 図 7および図 9のそれぞれについてのトルク一捩れ角線図を示したの が図 8および図 1 0である。 これらの図から明らかなように、 ステアリングシャ フト 2の折れ曲がり方向がボール溝 1 4， 2 4方向である場合 （図 7 ) にヒステ リシスが小さく （図 8 ) 、 ボール溝 1 4， 2 4間方向である場合 （図 9 ) にはヒ ステリシスが大きい （図 1 0 ) 。 このような傾向は、 特に設定継手角度 （ ：図 2 B ) が 3 0 ° を越える大角度の場合に顕著である。 自動車の直進状態で、 継手のトルク一捩れ角線図におけるヒステリシスの増大 はハンドル操作性 （ダイレクト感） に影響を与えることから、 このヒステリシス は小さい方が望ましい。 このため、 自動車の直進状態でのステアリングシャフト の折れ曲がり位相がボール溝方向になるように合わせておくことで、 ヒステリシ スの増加に伴う操安性の悪化を回避することができる。 図 1 1に、 ステアリングシャフト折り曲げ位相を、 ボール溝方向からポール溝 間方向に 1 0 ° 毎に変化させたときのガタ線図を示す。 位相 0 ° (図 1 1 A) が ボール溝方向の場合で、位相 3 0 ° (図 1 1 D )がポール溝間方向の場合である。 図 1 1 Aないし 1 1 Dを対比すれば、 ヒステリシスの変化はボール溝方向から 2 0 ° 位相で大きくなつていることが分かる。 したがって、 ステアリングシャフト の方向をボール溝方向基準で ± 2 0 ° 以下とすることにより、 ヒステリシスの増 加に伴う操安性の悪化を回避ないしは緩和することができる。 次に、 図 1 Aおよび 1 Bは図 8、 図 1 0、 図 1 1に示したトルク一捩れ角線図 を模式化したもので、 同様に縦軸がトルク （N m) 、 横軸が捩れ角 （deg) を表し ている。 ステアリング装置用として適用した固定式等速自在継手の場合、 縦軸の トルクはステアリングホイールを回す力に相当し、 横軸の捩れ角はステアリング ホイールの回転角に相当する。 もっとも、 このトルク一捩れ角線図におけるトル クは等速自在継手単体について測定した値であり、 自動車に実装したステアリン グ装置におけるいわゆる操舵力とは異なる。 図 1 Aに示すように、 トルク一捩れ 角カーブは、 トルク 0付近で傾きが小さくなつておリ、 具体的には 1 . 5 ~ 6. 0 N mZdegの範囲に設定するのが好ましい。 図 1 Bは比較例を示し、 トルク 0付 近で一定の捩れ角にわたって傾き 0の領域がある。 この領域では、 トルク 0でス テアリングホイールが回る、 言い換えれば、 ステアリングホイールが抵抗なく回 るため、 フィーリング特性を悪化させる円周方向ガタとして認識される。 以上の説明において、 外側継手部材および内側継手部材はそれぞれ外輪および 内輪と実質的に同じであり、 同様に、 保持器とケージとは実質的に同じである。

Claims

請求の範囲

1 . 内球面の円周方向等配位置に軸方向に延びるポール溝を形成した外側継手 部材と、 外球面の円周方向等配位置に軸方向に延びるボール溝を形成した内側継 手部材と、 外側継手部材のポール溝と内側継手部材のポール溝とで形成された楔 形のボールトラックに配置したボールと、 外側継手部材の内球面と内側継手部材 の外球面との間に介在してポールを保持する保持器とを具備した固定式等速自在 継手において、 トルク一捩れ角線図における入力トルク 0 N m時に捩れ角がほぼ 0であることを特徴とする固定型等速自在継手。

2. 内球面の円周方向等配位置に軸方向に延びるボール溝を形成した外側継手 部材と、 外球面の円周方向等配位置に軸方向に延びるボール溝を形成した内側継 手部材と、 外側継手部材のポール溝と内側継手部材のポール溝とで形成された楔 形のボールトラックに配置したポールと、 外側継手部材の内球面と内側継手部材 の外球面との間に介在してポールを保持する保持器とを具備した固定式等速自在 継手において、 トルク一捩れ角線図において、 入力トルク O N m付近の捩り剛性 を 1 . 5 N mZdeg〜6 N mZdegの範囲にしたことを特徴とする固定型等速自在 継手。

3. 弾性的な押圧力を軸方向に作用させる押圧部を内側継手部材側に、 押圧部 からの押圧力を受ける受け部を保持器に、 設けたことを特徴とする請求項 1また は 2の固定式等速自在継手。

4. 弾性的な押圧力により内側継手部材が、 保持器に設けられた受け部を介し てボールトラックの拡大側に押し出されるように作用させる請求項 3の固定式等 速自在継手。

5. ステアリング装置用であることを特徴とする請求項 1ないし 4のいずれか の固定式等速自在継手。