JP2005221032A - 固定式等速自在継手 - Google Patents

Abstract

【課題】 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。
【解決手段】 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。
【選択図】 図１

Description

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、ステアリング装置用としてのみならず、ドライブシャフトやプロペラシャフトといっ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。

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、ツェッパ型（以下、「ＢＪ」と称する）やアンダーカットフリー型（以下、「ＵＪ」と称する）が広く知られている。ＢＪおよびＵＪ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ボール溝との間に組み込まれたボールと、ボールを保持する保持器とで構成される。外輪のボール溝中心は外輪内球面中心に対して外輪開口側、また、内輪のボ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って徐々に縮小または拡大する楔形となっている。ＢＪでは各ボール溝の全域が曲線状になっているが、ＵＪでは各ボール溝の一方の端部が軸線と平行なスト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トにはカルダンジョイントを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２００３−１３００８２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ー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２００３−１３００８２号公報（段落番号０００８、０００９、図３）

特許文献１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ってはヒステリシスが大きくなり、車両の直進付近の操縦安定性（以下、「操安性」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。

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−捩れ角線図における入力トルク０Ｎｍ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−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、内輪のボール溝中心は外球面中心に対し外輪開口部より奥側となる。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ボールト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５２を内輪２０とセレーション結合されたシャフト２に、受け部５８を保持器４０にそれぞれ設け、押圧部５２と受け部５８の弾性的な当接により、内輪２０が外輪１０開口側へ押圧される（図３、図４参照）。内輪２０のボール溝２４の形状は外輪１０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、回転バ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りも小さいと、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（ＥＰＳ）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）がなくなりフィーリング特性が向上する。

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αは継手の折り曲げ角度を表しており、折り曲げ角度αが３０°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ェッパ型ジョイント（ＢＪ）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１０と、内側継手部材２０と、トルク伝達ボール３０と、保持器４０を主要な構成要素として成り立っている。外側継手部材１０は入力軸または出力軸と接続し、内側継手部材２０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２０はシャフト２とセレーション結合している。

外側継手部材１０は一端にて開口したカップ状で、内球面１２の円周方向等配位置に、軸方向に延びるボール溝１４を形成してある。内側継手部材２０は、外球面２２の円周方向等配位置に、軸方向に延びるボール溝２４を形成してある。外側継手部材１０のボール溝１４と内側継手部材２０のボール溝２４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トラックを形成し、各ボールトラックに１個のトルク伝達ボール３０が組み込んである。保持器４０は外側継手部材１０の内球面１２と内側継手部材２０の外球面２２との間に摺動自在に介在し、各トルク伝達ボール３０は保持器４０のポケット４６に収容される。

保持器４０の外球面４２は外側継手部材１０の内球面１２と球面接触し、保持器４０の内球面４４は内側継手部材２０の外球面２２と球面嵌合している。そして、外側継手部材１０の内球面１２の曲率中心と、内側継手部材２０の外球面２２の曲率中心は継手中心Ｏと一致している。外側継手部材１０のボール溝１４の曲率中心Ｏ₁と、内側継手部材２０のボール溝２４の曲率中心Ｏ₂は、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。このため、一対のボール溝１４，２４により形成されるボールトラックは、外側継手部材１０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１０と内側継手部材２０とがどのような作動角つまり折り曲げ角θをとっても、トルク伝達ボール３０が常に折り曲げ角θ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５０を設けてある。押圧部材５０は図４に示すように、押圧部５２としてボール、弾性部材５４として圧縮コイルばね、押圧部５２と弾性部材５４をアッセンブリィするためのケース５５から構成される。弾性部材５４は押圧部５２を通じて弾性力として作用する。また、押圧部５２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５５は、内側継手部材２０とセレーショ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４０の外側継手部材１０の奥側の端部には受け部材５６を取り付けてある。この受け部材５６は保持器４０の端部開口を覆う蓋状で（図３参照）、部分球面状の球面部５６ａとその外周に環状に形成された取付け部５６ｂとで構成される。球面部５６ａ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５２からの押圧力を受ける受け部５８として機能する。取付け部５６ｂは、保持器４０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った際に押圧部材５０と受け部材５６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５８の内径寸法Ｒｏを押圧部５２の半径ｒ（図４）よりも大きくする（Ｒｏ＞ｒ）。また、図６に示すように折り曲げ角θをとった際の受け部材５６と内側継手部材２０との干渉を防止するため、受け部５８の内径寸法Ｒｏを保持器４０の内球面４４の半径寸法Ｒｉよりも大きくする（Ｒｏ＞Ｒｉ）。

以上の構成において、シャフト２のセレーション軸部と内側継手部材２０をセレーション結合し、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５０の押圧部５２と受け部材５６の受け部５８とが互いに当接し、弾性部材５４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２０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２０のボール溝２４の形状は外輪１０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５４の弾発力を設定する必要がある。たとえば、シャフト２の自重が弾性部材５４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ＢＪを例にとったが、本発明はこれに限らず、ボール溝１４，２４の一部にストレート部を有するアンダーカ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１４，２４方向になるように合わせておくのが好ましい。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１４，２４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１４，２４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１４，２４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−捩れ角線図を示したのが図８および図１０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１４，２４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１４，２４間方向である場合（図９）にはヒステリシスが大きい（図１０）。このような傾向は、特に設定継手角度（α：図２（Ｂ））が３０°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−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１１に、ステアリングシャフト折り曲げ位相を、ボール溝方向からボール溝間方向に１０°毎に変化させたときのガタ線図を示す。位相０°（図１１（Ａ））がボール溝方向の場合で、位相３０°（図１１（Ｄ））がボール溝間方向の場合である。図１１（Ａ）〜（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２０°位相で大きくなっ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±２０°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は図８、図１０、図１１に示したトルク−捩れ角線図を模式化したもので、同様に縦軸がトルク（Ｎｍ）、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−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−捩れ角カーブは、トルク０付近で傾きが小さくなっており、具体的には１．５〜６．０Ｎｍ／deg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。

Ａは本発明の実施の形態を示すトルク−捩り線図、Ｂは比較例を示すトルク−捩り線図である。 Ａはステアリング装置の平面図、Ｂはステアリング装置の側面図、Ｃはステアリング装置の斜視図である。 固定式等速自在継手の縦断面図である。 図３の要部拡大図である。 図３の要部拡大図である。 図３の継手の折り曲げ角をとった状態の縦断面図である。 ステアリング用固定式等速自在継手の略図である。 図７の継手のトルク−捩れ角線図である。 ステアリング用固定式等速自在継手の略図である。 図９の継手のトルク−捩れ角線図である。 位相を１０°ごとに変えた場合のトルク−捩れ角線図である。

符号の説明

１ 等速自在継手
２ ステアリングシャフト
６ ステアリングホイール
８ ステアリングギヤ
９ タイロッド
１０ 外側継手部材
１２ 内球面
１４ ボール溝
２０ 内側継手部材
２２ 外球面
２４ ボール溝
３０ トルク伝達ボール
４０ 保持器
４２ 外球面
４４ 内球面
４６ ポケット
５０ 押圧部材
５２ 押圧部
５４ 弾性部材
５５ ケース
５６ 受け部材
５６ａ 球面部
５６ｂ 取付け部
５８ 受け部

Claims (5)

1. 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、外側継手部材のボール溝と内側継手部材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−捩れ角線図における入力トルク０Ｎｍ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、外側継手部材のボール溝と内側継手部材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−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。