JP2016003729A - 十字軸継手用ヨーク、十字軸継手 - Google Patents

Abstract

【課題】 ニードルベアリングのシェルにおける応力による金属疲労を抑制し、もって十字軸を支持するニードルベアリングの耐久性向上を実現する十字軸継手を提供する。
【解決手段】 軸方向に延びるスリット２６を備えた円筒状の基部２３と、基部２３の一方の端部から軸方向にそれぞれ延び、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２１がそれぞれ形成された一対のアーム２４、２５と、を有し、一対のアーム２４、２５の内径側において、軸受保持孔２１の周囲で、一対のアーム２４、２５の外径側に向かって凹んだ逃げ部３０が形成されているものとする。
【選択図】 図３

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のヨーク及び十字継手に係り、詳しくは、十字軸を支持するニードルベアリングの耐久性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

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では、以下に述べるように、応力による金属疲労がニードルベアリングのシェルに発生することがあった。

即ち、運転者がステアリングホイールを操作すると、ステアリングシャフトに付与された操舵トルクは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に伝達される。十字軸継手において、この操舵トルクは一方のヨークのアームからスパイダーのトルク伝達軸を介して他方のヨークのアームに伝達されるが、この際に軸受保持孔に保持されたシェル内でスパイダーのトルク伝達軸が僅かに傾くことにより、ニードルローラがスパイダーの中央部側に押され、シェルの軸方向端部に形成されたカール部に突き当たる。カール部は、シェルの円筒状の部分から全周にわたって径方向内側へ湾曲している。ニードルローラがカール部に突き当たると、カール部と円筒部との境界部付近に大きな応力が生じる。

これにより、カール部と円筒部との境界付近にはステアリング操作のたびに大きな繰り返し応力が発生する。特にステアリングシャフトにアシスト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、応力による上記境界部の金属疲労が進行する。

一方、シェルにはアームの軸受保持孔に圧入されることによる応力も発生するが、この応力は軸受保持孔への嵌合部位と非嵌合部位の境界、すなわち、軸受保持孔の開口端付近で大きくなる。そのため、上記境界部が軸受保持孔の開口端の近傍に位置した場合、上記操舵トルクに起因する応力と上記圧入に起因する応力とが重畳されて上記境界部の金属疲労がより進行しやすくなる問題がある。

本発明は、ニードルベアリングのシェルにおける応力による金属疲労を抑制し、もって十字軸を支持するニードルベアリングの耐久性向上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を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、
軸方向に延びるスリットを備えた円筒状の基部と、
前記基部の一方の端部から軸方向にそれぞれ延び、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形成された一対のアームと、を有し、
前記一対のアームの内径側において、前記軸受保持孔の周囲で、前記軸受保持孔の中心よりも前記一対のアームの基端部寄りの部分から前記一対のアームの先端にかけて、前記一対のアームの外径側に向かって前記一対のアームの基端部側よりも凹んだ逃げ部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、ニードルベアリングのシェルにおける応力による金属疲労を抑制し、もって十字軸を支持するニードルベアリングの耐久性向上を実現することができる。なお、「一対のアームの内径側」とは、一対のアームが対向する側を指し、「一対のアームの外径側」とは、その反対側を指す。また、「一対のアームの基端部」とは、一対のアームのうちヨークの基部に隣接した部分を指す。

また、好ましくは、前記逃げ部は、前記軸受保持孔の全周にわたって形成されている。これにより、軸受を周方向で均一に保持できるため、軸受の回転トルクを安定させることができる。

また、好ましくは、前記逃げ部に隣接して、前記一対のアームの内径側に突出し、軸方向に延びて前記アームを補強するリブ部を有する。これにより、アームに逃げ部を設けても、アームの必要な強度及び剛性を維持することができる。

また、本発明の好ましい態様は、前記一対のアームの外径側に突出し、軸方向に延びて前記アームを補強するリブ部を有する。これにより、更に、アーム強度及び剛性を高めることができる。

また、上記課題を解決するため、本発明は、上記十字軸継手用ヨークを備えることを特徴とする十字軸継手を提供する。

本発明によれば、ニードルベアリングのシェルにおける応力による金属疲労を抑制し、もって十字軸を支持するニードルベアリングの耐久性向上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、図３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。 実施形態の作用を説明する図である。 第１変形例に係るヨークの縦断面図である。 図７中のVIII矢視図である。 第２変形例に係るヨークの縦断面図である。 図９中のＸ矢視図である。

以下、本発明をコラムアシスト型の電動パワーステアリング装置の十字軸継手に適用した一実施形態およびその一部変形例としての第１変形例及び第２変形例について、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３、図４に示すように、アーム２４、２５の内径側と外径側とにはそれぞれ他の部分よりも凹んだ、又は、他の部分よりも低く形成された逃げ部３０、３１が形成されており、軸受保持孔２１の周囲が周辺部表面３７、３８から凹んだ平坦面となっている。

両逃げ部３０、３１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、図３及び図４に二点鎖線で示すフライスカッタなどの回転切削工具１０５をアーム２４、２５の先端側から基部２３側に送ることでも形成することができる。アーム２４、２５の先端側は、型抜きを容易にし、又は、上記切削加工を可能とするため、開放された形状となっている。内径側の逃げ部３０と外径側の逃げ部３１とは、略同一形状となっている。軸方向から見て逃げ部３０の側方には、周辺部表面３７、３８を形成するリブ部３２ないし３５がアーム２４、２５の内径側又は外径側に突出している。

（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が圧入された状態では、円筒部５３とカール部５４との境界５１ａが軸受保持孔２１の内径側開口端２１ａから所定距離を離して内径側に位置し、底部５２と円筒部５３との境界５１ｂは軸受保持孔２１の外径側開口端２１ｂよりも所定量内径側に位置している。

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、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。十字継手１において、上記操舵トルクは一方のヨーク２のアーム２４、２５からスパイダー４のトルク伝達軸４２を介して他方のヨーク２のアーム２４、２５に伝達される。

この際、軸受保持孔２１に保持されたシェル５１内でスパイダー４のトルク伝達軸４２が僅かに傾くことにより、ニードルローラ５５が一対のアーム２４、２５の内径側に押されてカール部５４に突き当たる。特に、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、パワーアシストされた入力軸１０１から伝達される操舵トルクはラックアシスト型のパワーステアリング装置の場合よりも遙かに大きいため、ニードルローラ５５はカール部５４により強く突き当たる。このようにして、ニードルベアリング５のシェル５１では、図５中にハッチングで示すように、円筒部５３とカール部５４との境界５１ａ付近に操舵トルクによる応力が発生する。特に、図６に示すように、アーム２４とトルク伝達軸４２とは十字軸継手１の回転方向で荷重を受けるため、操舵トルクによる応力はヨーク２の軸方向においてニードルベアリング５の中間位置で大きくなる。

また、シェル５１にはアーム２４の軸受保持孔２１に圧入されることによる応力も発生するが、図５中にハッチングで示すように、この応力は、圧入された部分と圧入されていない部分との境界となる軸受保持孔２１の内径側開口端２１ａ付近、及び、底部５２によって他の円筒部５３よりも変形しにくい境界５１ｂ付近で大きくなる。

しかしながら、本実施形態によれば、円筒部５３とカール部５４との境界５１ａが軸受保持孔２１の内径側開口端２１ａから離れて内径側に位置しているため、操舵トルクに起因する応力と圧入に起因する応力とがニードルベアリング５の軸方向で重ならず、応力の発生位置を分散することができるため、従来の十字軸継手において問題となっていた境界５１ａ付近の金属疲労が効果的に抑制できる。

また、逃げ部３０、３１の側方にそれぞれ一対のリブ部３２、３３、３４、３５が設けられているため、アーム２４の十分な強度および剛性も確保することができる。

更に、シェル５１の円筒部５３を円周方向で均一に保持できるため、ニードルベアリング５の回転トルクを安定させることができる。

＜一部変形例＞
以下、図７ないし図１０を参照して、上記実施形態の２つの一部変形例を説明する。両変形例ともその全体構成は実施形態と略同一であるが、アーム２４、２５の内径側に形成される逃げ部の形状が異なっている。

第１変形例は、図７、図８に示すように、逃げ部３０の側方には上記実施形態のようなリブ部が形成されておらず、また、軸受保持孔２１よりも基部２３側の部分からアーム２４、２５の先端まで逃げ部が形成されている。

第１変形例の場合、アーム２４、２５の内径側にリブ部が存在しないことによって、アーム２４の強度及び剛性の点で上記実施形態よりも不利であるが、加工が容易であるという利点が有る。ニードル軸受のシェルの金属疲労を抑制できる点、及び、シェルの円筒部を円周方向に均一に保持することにより、ニードルベアリングの回転トルクを安定させることができる点は、上記実施形態と同様である。

第２変形例は、図９、図１０に示すように、逃げ部３０が、基部２３側に設けられておらず、ヨーク２の軸方向で軸受保持孔２１の中心と軸受保持孔２１の基部２３側端部との中間地点からアーム２４、２５の先端まで形成されている。そのため、基部２３側部分においては、円筒部５３とカール部５４との境界５１ａが軸受保持孔２１の内径側開口端２１ａにより近接した配置になる。

しかしながら、図５に示したように、操舵トルクによる応力はヨーク２の軸方向においてニードルベアリング５の中間位置で大きくなる。本第２変形例では、応力が大きくなる中間位置からアーム２４、２５の先端までを逃げ部３０としていることから、操舵トルクに起因する応力と圧入に起因する応力との重畳によるカール部の金属疲労が最も問題となる部分においては金属疲労が抑えられる。

また、第２変形例の場合、第１変形例と同様に加工が容易となる他、第１変形例よりもアーム２４の強度及び剛性の点で有利である。

以上で具体的実施形態や一部変形例の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限られるものではない。

例えば、上記実施形態はコラムアシスト型の電動パワーステアリング装置用の十字軸継手に本発明を適用したものであるが、ラックアシスト型の電動パワーステアリング装置や油圧パワーステアリング装置などに用いられる十字軸継手にも当然に適用可能であるし、ステアリング装置以外の装置に用いられる十字軸継手にも適用可能である。また、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
２１ａ 内径側開口端
２１ｂ 外径側開口端
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
３０ 逃げ部
３１ 逃げ部
３２ リブ部
３７、３８ 周辺部表面
４１ 中央部
４２ トルク伝達軸
４３ ピン孔
５１ シェル
５１ａ 境界
５１ｂ 境界
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
１０５ 回転切削工具

Claims (5)

1. 軸方向に延びるスリットを備えた円筒状の基部と、
   前記基部の一方の端部から軸方向にそれぞれ延び、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形成された一対のアームと、を有し、
   前記一対のアームの内径側において、前記軸受保持孔の周囲で、前記軸受保持孔の中心よりも前記一対のアームの基端部寄りの部分から前記一対のアームの先端にかけて、前記一対のアームの外径側に向かって前記一対のアームの基端部側よりも凹んだ逃げ部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。
2. 前記逃げ部は、前記軸受保持孔の全周にわたって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用ヨーク。
3. 前記逃げ部に隣接して、前記一対のアームの内径側に突出し、軸方向に延びて前記アームを補強するリブ部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の十字継手用ヨーク。
4. 前記一対のアームの外径側に突出し、軸方向に延びて前記アームを補強するリブ部を有することを特徴とする請求項１ないし３の何れか一項に記載の十字軸継手用ヨーク。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の十字軸継手用ヨークを備えることを特徴とする十字軸継手。

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