JP3726279B2

JP3726279B2 - ステアリング装置の中間軸継手

Info

Publication number: JP3726279B2
Application number: JP07922298A
Authority: JP
Inventors: 勇竹間; 栄松本; 昭次岡
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1998-03-26
Filing date: 1998-03-26
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2018-03-26
Also published as: JPH11280778A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用中間軸継手に関し、特に、ステアリング装置に使用される車両用中間軸継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用中間軸継手、特に、ステアリング装置に使用される車両用中間軸継手は、ステアリングシャフトからの回転力をステアリングギアに伝達するのであるが、中間軸継手のシャフト部分をスプライン係合あるいはセレーション係合したパイプと軸部材とで構成した場合には、スプラインあるいはセレーションの加工精度にも限界があるので、係合部分において回転方向にある程度のガタが出てしまう。
このようなガタを低減するために、例えば、実公昭６３−１７８６２号公報に開示されたようなスプライン結合構造が使用されている。このスプライン結合構造は、外周に第１のスプライン歯を有する軸部材と該第１のスプライン歯に係合する第２のスプライン歯を内周に有するパイプとの組み合わせからなる。パイプには、パイプの端部からパイプの軸方向に伸びる複数のスリットが設けられており、パイプの内径が拡張／緊縮可能に構成されていると共に、パイプの端部外周に該端部を緊締する弾性材からなる緊締部材を嵌合してパイプを緊締することにより、パイプ内周のスプライン歯と軸部材外周のスプライン歯とを隙間なく係合せしめて回転方向のガタを低減するものである。
【０００３】
実公昭６３−１７８６２号公報では、パイプの片側端にスリットを設け、その外周部に緊締部材を配してパイプのスリットが設けられている部分を弾性変形させることにより、パイプのスリットが設けられている部分におけるパイプと軸部材とのスプライン嵌合部隙間をなくしている。
実際の中間軸継手の仕様では、スプラインの代わりに標準的なインボリュートセレーション（圧力角α₀ ＝４５°）が用いられている。その理由は、中間軸継手においては、パイプのスリットが設けられている部分を変形させることによりガタを低減することが可能であるため、あえてスプラインを用いる必要がないからである。また、モジュールｍが小さく歯数が多い場合には、標準的な自動車用インボリュートスプライン（基準ピッチ円上における圧力角α₀ ＝２０°、転位係数ｘ＝０．８）では、歯厚がアンバランスとなり強度上好ましくないからである。これに対して、標準的なインボリュートセレーションを用いた場合には、軸部材を転造加工することができるので、より低コストとなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の中間軸継手のスプライン嵌合によって摺動及びトルク伝達を行う場合において、特に回転方向ガタを極力小さくするためには、パイプ側及び軸部材側のスプラインを精度よく加工する必要があり、加工コストが増大するという問題点があった。
また、中間軸継手をステアリング装置に使用した場合には、ステアリングギアから軸部材に大トルクが加えられることがある。さらに、このような大トルクが軸部材の右回り回転と左回り回転との間を早いサイクルで切り換えるように軸部材に入力されることがある。このような場合に、緊締部材の緊締力が大きければ、スリットが設けられているスプライン部分を押し拡げようとする力に抗して緊締部材の緊締力がスプライン山の両側を押しているのでスプライン山の両側にすき間ができることはなく、ステアリングホイールにガタ感は伝わらない。しかしながら、緊締部材の緊締力に対してスプライン部分を押し拡げようとする力が大きい場合には、パイプのスリットが設けられているスプライン部分が押し拡げられるため、スプライン山の片側にすき間ができる。このすき間によりガタが発生し、このガタがステアリングホイールを介して運転者にガタつき感として伝えられる。
また、通常は殆どないが、運転者がステアリングホイールの右回り回転と左回り回転との間を早いサイクルで往復して切り換えたようなときも、上記と同様の作用に基づいて、ガタつき感が運転者に伝えられることがある。
このようなガタつき感をなくすためには、緊締部材の緊締力を大きくすればよいが、緊締部材の緊締力を大きくすると、ステアリング装置の組み立てにおいて軸部材をパイプに対して軸方向に摺動させるときに大きな力が必要となる。従って、ステアリング装置の組立が困難になることから、パイプと軸部材との間の軸方向摺動力はできるだけ小さいことが望ましく、その為には緊締部材の締め付け力をできるだけ小さくする必要がある。しかし、緊締部材の締め付け力を小さくした場合、上記ステアリングギアからの伝達トルクの分力により緊締部材は、押し戻されてガタの低減効果が減少するという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、上記伝達トルクの分力を少なくすることにより、締め付け力の効果を向上させた中間軸継手を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、軸線方向長さが可変である車両用中間軸継手において、一端部にスリットが設けられ内周面上にインボリュートセレーションが形成されているパイプと、パイプ内を軸線方向に摺動可能でありパイプのインボリュートセレーションと係合するインボリュートセレーションが外周面上に形成されている軸部材とを設け、互いに係合するインボリュートセレーションの基準ピッチ円上における圧力角を標準的な値よりも小さく設定した。
このことにより、伝達トルクにより生じるインボリュートセレーション部分を押し拡げようとする分力を、標準的なインボリュートセレーションが形成されている中間軸継手におけるものよりも小さくできる。従って、同一の伝達トルクであってもインボリュートセレーションの係合部分にすき間ができにくくなるので、ガタが発生しにくくなる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、軸線方向長さが可変である車両用中間軸継手８において、一端部にスリット１１ａが設けられ内周面上にインボリュートセレーション１５が形成されているパイプ１１と、パイプ１１内を軸線方向に摺動可能でありパイプ１１のインボリュートセレーション１５と係合するインボリュートセレーション１６が外周面上に形成されている軸部材１２とを設け、互いに係合するインボリュートセレーション１５、１６の基準ピッチ円上における圧力角α₀ を標準的な値よりも小さく設定した。
圧力角α₀ を標準的な値４５°よりも小さく設定したことにより、インボリュートセレーション１５、１６の歯部に作用するパイプ１１を半径方向外方へ押し拡げようとする分力Ｐ_n を小さくすることができる。これによって、パイプ１１と軸部材１２との間の締め付け力を小さくすることができるので、パイプ１１と軸部材１２との間の軸線方向摺動力を小さくすることができる。
【０００８】
中間軸継手８において、インボリュートセレーション１５、１６の基準ピッチ円上における圧力角α₀ を２５°以上３５°以下の範囲内で設定するとよい。これにより、中間軸継手８の伝達トルクによりインボリュートセレーションの歯に作用する分力Ｐ_n を小さくすることができる。分力Ｐ_n は、パイプ１１のセレーション部分を半径方向外方へ押し拡げようとする力であり、分力Ｐ_n を小さくすることにより、高トルクの左右回りの早い交替サイクルが入力されたときにパイプ１１と軸部材１２のインボリュートセレーション１５、１６の間にすき間Ｓが生じることを防止できるので、中間軸継手８のガタを低減できる。
圧力角α₀ を３５°よりも大きくすると、分力Ｐ_n の低減割合が小さいためにスリット１１ａが形成されているパイプ１１の端部が軸部材１２を締め付ける締め付け力が低減され、有効な締め付け力が得られないことがある。一方、モジュールｍが小さく、歯数が多い場合に、圧力角α₀ を２５°よりも小さくすると、転造加工でインボリュートセレーション歯を精度よく成形できないことがある。
【０００９】
中間軸継手８において、パイプ１１のインボリュートセレーション１５が形成されている部分の開放端部の直径Ｄ₂ を該部分の内側端部の直径Ｄ₁ よりも小さくするとよい。更に、開放端部においてパイプ１１と軸部材１２とが締まりばめになり、内側端部においてパイプ１１と軸部材１２とが緩みばめとなるように、開放端部の直径と内側端部の直径とが定められているとよい。
パイプ１１の先端部の内径が端部に向かって縮径していることにより、図３にＡで示す部分において、パイプ１１と軸部材１２はシメシロができる締まりばめとなり、Ｂで示す部分において、パイプ１１と軸部材１２はすき間ができるすき間ばめとなる。パイプ１１の端部にはスリット１１ａが設けられているので、軸部材１２は、パイプ１１のスリット１１ａ付き端部を押し拡げて嵌着される。従って、パイプ１１と軸部材１２のインボリュートセレーション１５、１６はＡで示す部分において、弾性的なシメシロ状態となり、ガタはなくなる。また、Ｂで示す部分は、すき間ばめとなっているが、この部分は過大なトルクが入力された場合に、スリットが入っていないので押し拡げられず、負荷を受けることができる。
【００１０】
中間軸継手８において、パイプ１１のスリット１１ａが設けられている端部外周上に嵌合して該端部を緊締する弾性材からなる円環状の緊締部材１８を更に設けてもよい。
緊締部材１８を設けることにより、ガタの低減をより確実なものとすることができる。
【００１１】
本発明の中間軸継手８は、ステアリング装置２に使用することができる。ステアリング装置２に使用することにより、運転者が感じるガタを低減し、操舵フィーリングを向上することができる。
【００１２】
【実施例】
次に、本発明による中間軸継手について図面を参照して具体的に説明する。
【００１３】
（第１実施例）
図１は、車両１に組み付けたときのステアリング装置２を示す概略図である。ステアリング装置２は、ステアリングホイール３の回転運動をステアリングギア１４に伝達するための機構である。ステアリングギア１４は、ステアリングホイール３の回転運動を不図示のタイロッド部の往復運動に変換するためと、ステアリングホイール３を回す腕力を楽にするための一種の減速装置である。図１において、ステアリングホイール３は、ステアリングシャフト４の一端部に固定されている。ステアリングシャフト４は、ステアリングコラム５の内部に挿通されて、回転自在に支持されている。ステアリングコラム５は、ブラケット６、７により、車両１に固定されている。ステアリングシャフト４の回転運動は、中間軸継手８を介してステアリングギア１４の入力軸９に伝達される。中間軸継手８は、ステアリングシャフト４に連結された自在継手１０と、自在継手１０に連結されたパイプ１１と、パイプ１１に連結された軸部材１２と、軸部材１２に連結された自在継手１３とからなる。自在継手１３は、ステアリングギア１４の入力軸９に連結されている。
【００１４】
上記ステアリング装置２は、車両１の衝突時に運転者を保護するために、中間軸継手８のパイプ１１と軸部材１２で構成されるシャフト部分の全長が、衝撃に伴って縮まるように構成されている。これにより、衝突のエネルギーや衝突に伴うステアリング装置２の移動・変形を吸収することができる。このような機構は、すでに一般的に知られているものである。シャフト部分の全長が縮まるようにするために、パイプ１１と軸部材１２とを、互いにスプライン係合あるいはセレーション係合させて、それらの間の軸方向の相対移動を許容するようにする構造が広く用いられている。本実施例においては、中間軸継手８のパイプ１１の内面にセレーション歯を形成し、軸部材１２の外面にセレーション歯を形成して、軸部材１２をパイプ１１に挿入してセレーション係合させている。
【００１５】
このように中間軸継手８に軸方向移動の自由度を与えることは、ステアリング装置２の組立時においても有用である。車両１の組立においては、一般に、操向車輪の向きを変えるためのステアリングギア１４が最初に車両１のシャーシ（不図示）に固定され、他方、中間軸継手８がステアリングコラム５と一緒に車両１の車体に固定され、その後に、ステアリングギア１４と中間軸継手８とをつなぎ合わせるという手順がとられる。ステアリングギア１４の入力軸９は、シャーシ側に取り付けられており、自在継手１３より上の部分は車体側に取り付けられており、組立時に、入力軸９と自在継手１３とを結合することになる。従って、後により詳しく説明するが、中間軸継手８のパイプ１１と軸部材１２とからなるシャフト部分が軸方向の移動（伸縮）の自由度を持つことは、組立時においても必要かつ有益なことである。
【００１６】
図２は、ステアリングシャフト４とステアリングギア１４との間に取り付けられる中間軸継手８の断面図である。図２の（Ａ）は、中間軸継手８をステアリングギア１４に取り付けたときの状態を示している。図２の（Ｂ）は、中間軸継手８をステアリングギア１４に取り付ける前の状態を示している。図２の（Ａ）と（Ｂ）とを較べてみると、軸部材１２がパイプ１１の内部を摺動して軸部材１２の位置が変わっていることが分かる。
中間軸継手８は、ステアリングコラム５と一体的に組み立てられて、不図示の車体に固定されている。中間軸継手８のシャフト部分は、パイプ１１と軸部材１２とで構成されている。パイプ１１の内周面上には、インボリュートセレーション１５が形成されており、軸部材１２の外周面上には、インボリュートセレーション１６が形成されている。パイプ１１のインボリュートセレーション１５と軸部材１２のインボリュートセレーション１６とが係合することにより、軸部材１２がパイプ１１に対して軸方向に摺動可能に結合している。パイプ１１は、その一端部が自在継手１０を介してステアリングコラム５の内部のステアリングシャフト４に接続されている。軸部材１２は、その一端部が自在継手１３を介してシャーシに固定されたステアリングギア１４の入力軸９に接続される。
【００１７】
ステアリング装置２の組立の手順を以下に示す。
中間軸継手８は、ステアリングコラム５に組み付けられて、ステアリングコラム５と一緒に車体に固定される。他方で、ステアリングギア１４は、シャーシに固定されている。このような構成において、車両１の組立のときに、中間軸継手８とステアリングギア１４とを結合する。具体的には、自在継手１３のヨーク１７とステアリングギア１４の入力軸９とを結合する。図２の（Ｂ）を参照して、軸部材１２をパイプ１１内に（図２の（Ｂ）の右方向に）予め深く押し込んでおき、シャーシとボディとを組み立てるときには、ヨーク１７が入力軸９に対して軸方向に離間するようにしておく。しかる後に、軸部材１２を図２の（Ｂ）の矢印方向（左方向）に引き出して入力軸９をヨーク１７のセレーション穴（不図示）に嵌合し、図２の（Ａ）に示すような結合状態とする。
【００１８】
図３は、パイプ１１の断面図である。パイプ１１の軸部材１２と係合する端部には、円周方向に９０度毎の等間隔で軸方向に延在するスリット１１ａが形成されている。スリット１１ａは、パイプ１１の軸部材１２と係合する端部の縁で開放している。
パイプ１１の内周表面には、インボリュートセレーション１５が設けられている。インボリュートセレーション１５が設けられているパイプ１１のセレーション部分は、スリット１１ａの開放端部に向かって直径が徐々に縮小されている。即ち、パイプ１１は、インボリュートセレーション１５が設けられているセレーション部分の左端部の直径Ｄ₂ が、セレーション部分の右端部の直径Ｄ₁ よりも小さくなるように形成されている。パイプ１１の直径の差分（Ｄ₁ −Ｄ₂ ）は、軸部材１２のインボリュートセレーション１６に対するシメシロとなる。このシメシロによる締め付け力は、パイプ１１と軸部材１２と間のガタ量（伝達トルクに対して決められる）やパイプ１１に対する軸部材１２の摺動力などを考慮して、最適な値が決められる。
パイプ１１のセレーション部分に縮径部分を設けたことにより、図３にＡで示す部分において、パイプ１１と軸部材１２は締まりばめのような状態になり、図３にＢで示す部分において、パイプ１１と軸部材１２はすき間ばめのような状態になる。Ａで示す部分においてパイプ１１と軸部材１２との間にすき間がなくなることから、回転方向のガタが防止される。
【００１９】
図４は、パイプ１１の内周表面に設けられたインボリュートセレーション１５の歯形、及び、基準ピッチ円上における歯面に作用する力の関係を表している。
図４で使用されている参照符号を以下に説明する。
Ｄ₀ ：基準ピッチ円直径
α₀ ：基準ピッチ円上における圧力角
Ｐ_t ：伝達トルクによる接線力（基準ピッチ円上、１山当たり）
Ｎ：歯面に作用する法線方向の力
μＮ：Ｎによる摩擦力
μ ：摩擦係数
Ｒ：ＮとμＮの合力
ρ ：摩擦角（μ＝tanρ）
Ｐ_n ：Ｒの分力
パイプ１１のセレーション部分を押し拡げようとする力Ｐ_n は、
Ｐ_n ＝Ｐ_t ・tan（α₀ −ρ）
で表される。
【００２０】
セレーション部分を押し拡げようとする力Ｐ_n が大きい場合には、図５に示すように、パイプ１１のセレーション部分が押し拡げられるため、山の片側にすき間Ｓができる。軸部材１２の右回りと左回りとの間を早いサイクルで切り換えるような大トルクがステアリングギア１４から軸部材１２に加えられると、このすき間Ｓによりガタが発生し、このガタがステアリングホイール３を介して運転者にガタつき感として伝えられる。従って、力Ｐ_n をできるだけ小さくする必要がある。
上記式において、摩擦角ρ＝一定とした場合、基準ピッチ円上における圧力角α₀ を小さくすることで、セレーション部分を押し拡げようとする力Ｐ_n を小さくすることができる。
【００２１】
標準的なインボリュートセレーションとして、ＪＩＳＢ１６０２では、圧力角α₀ ＝４５°、転位係数ｘ＝０．１を示している。ここで、摩擦係数μ＝０．１５（ρ＝８．５３°）とすると、圧力角が４５°の場合のセレーション部分を押し拡げようとする力Ｐ₄₅° に対して、圧力角が変化した場合の力Ｐα₀ の比率は、下表のようになる。
【表１】

即ち、圧力角α₀ ＝３０°では、押し拡げる力Ｐ_n は、圧力角α＝４５°の場合の約５０％程度となり、同じ伝達トルクに対して、締め付け力の低下を少なくすることができることがわかる。
【００２２】
中間軸継手８に用いるインボリュートセレーションでは、通常均一な歯面当たりを得るため歯数を多くしている。一方、スペース的な制約から、（径方向寸法を小さくするために）そのモジュールｍをできるだけ小さくしている。一般的には、モジュールｍ＝０．５とする場合が多い。
モジュールｍ＝０．５の場合、特に、転造加工でインボリュートセレーションの歯形成形を精度よく行うためには、圧力角α₀ ＝２５°以上とするのがよい。
従って、モジュールｍ＝０．５では、圧力角α₀ ＝２５°以上４５°以下であるが、締め付け力を有効にするには、圧力角α₀ ＝２５°〜３５°が望ましい。
【００２３】
（第２実施例）
図６は、本発明による中間軸継手８の第２実施例を示す断面図である。図６の（Ａ）は、中間軸継手８をステアリングギア１４に取り付けたときの状態を示している。図６の（Ｂ）は、中間軸継手８をステアリングギア１４に取り付ける前の状態を示している。
第２実施例は、緊締部材１８をパイプ１１上に装着している点を除いて、図２に示した第１実施例と同様の構成であるので、同様の構成要素には同様の符号を付して説明を省略する。
第２実施例による中間軸継手８においては、パイプ１１のセレーション部分の直径の差分（Ｄ₁ −Ｄ₂ ）に基づくシメシロによる締め付け力に加えて、緊締部材による締め付け力を付加している。これにより、ガタを確実に低減することができる。
【００２４】
パイプ１１の軸部材１２側の端部付近の外周上には、弾性を有する緊締部材１８が装着されている。緊締部材１８は、板ばね等からつくられており、周方向の一箇所で開いた（即ち一部を切り欠いた）円環形状をしている。なお、緊締部材１８は、ゴム製バンドでつくってもよい。パイプ１１には４箇所にスリット１１ａが形成されているので、緊締部材１８の内向きの緊締力によりスリット１１ａを形成された端部が半径方向内方に変位される。これによりセレーション部分におけるパイプ１１と軸部材１２との係合が密となり、パイプ１１から軸部材１２へ、或いは軸部材１２からパイプ１１へ回転力が伝達される際のガタが低減される。
【００２５】
特に、パイプ１１のセレーション部分の直径の差分（Ｄ₁ −Ｄ₂ ）が大きい場合には、軸部材１２をパイプ１１に挿入するのが難しくなるという問題がある。従って、パイプ１１と軸部材１２との組立の容易さを考慮して、差分（Ｄ₁ −Ｄ₂ ）を極力小さくし、或いは差分（Ｄ₁ −Ｄ₂ ）＝０（シメシロはなし）として緊締部材１８の締め付け力を大きくしてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２７】
本発明によれば、圧力角α₀ を小さく設定することにより、パイプを押し拡げようとする力Ｐ_n を低減できる。これによって同じ締め付け力に対して、ガタを感じる伝達トルクが大きくなり操舵フィーリングを向上することができる。
本発明は、α₀ を変えるだけであり、低コストで上記効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両１に組み付けたときのステアリング装置２を示す概略図である。
【図２】ステアリングシャフトとステアリングギアとの間に取り付けられる本発明による中間軸継手の第１実施例を示す断面図である。図２の（Ａ）は、中間軸継手をステアリングギアに取り付けたときの状態を示している。図２の（Ｂ）は、中間軸継手をステアリングギアに取り付ける前の状態を示している。
【図３】パイプ１１の断面図である。
【図４】パイプ１１の内周表面に設けられたインボリュートセレーション１５の歯形、及び、基準ピッチ円上における歯面に作用する力の関係とを示す図である。
【図５】Ｐ_n が大きい場合に、パイプ１１のインボリュートセレーション１５と軸部材１２のインボリュートセレーション１６との間にできるすき間Ｓを示す図である。
【図６】ステアリングシャフトとステアリングギアとの間に取り付けられる本発明による中間軸継手の第２実施例を示す断面図である。図６の（Ａ）は、中間軸継手をステアリングギアに取り付けたときの状態を示している。図６の（Ｂ）は、中間軸継手をステアリングギアに取り付ける前の状態を示している。
【符号の説明】
２・・・・・ステアリング装置
８・・・・・中間軸継手
１１・・・・パイプ
１１ａ・・・スリット
１２・・・・軸部材
１５、１６・インボリュートセレーション
１８・・・・緊締部材
α₀ ・・・・基準ピッチ円上における圧力角
Ｐ_n ・・・・インボリュートセレーションの歯面に作用する分力
Ｄ₁ ・・・・内側端部の直径
Ｄ₂ ・・・・開放端部の直径
Ａ・・・・・締まりばめの部分
Ｂ・・・・・すき間ばめの部分

Claims

軸線方向長さが可変である車両用中間軸継手であって、
一端部にスリットが設けられ、内周面上にインボリュートセレーションが形成されているパイプと、
前記パイプ内を軸線方向に摺動可能であり、前記パイプのインボリュートセレーションと係合するインボリュートセレーションが外周面上に形成されている軸部材とを含み、
互いに係合する前記インボリュートセレーションの基準ピッチ円上における圧力角が２５°以上３５°以下の範囲内で設定されており、かつ
前記パイプと前記軸部材とは、前記パイプと前記軸部材との嵌合部のうち前記パイプの前記一端部において締まりばめで係合しており、前記嵌合部のうち前記一端部以外の部分においてすき間ばめで係合していることを特徴とする車両用中間軸継手。