JP5031521B2 - 固定式等速自在継手 - Google Patents

Description

本発明は固定式等速自在継手に関し、詳しくは、自動車のステアリング装置に組み込まれる固定式等速自在継手に関する。

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摺動式に大別され、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）やアンダーカットフリー型（以下、「ＵＪ」と称す）が広く知られている。

ＢＪおよびＵＪのいずれも、軸方向に延びる複数のトラック溝が内球面に形成された外輪と、外輪のトラック溝と対をなして軸方向に延びる複数のトラック溝が外球面に形成された内輪と、外輪のトラック溝と内輪のトラック溝との間に組み込まれたトルク伝達用ボールと、そのボールを保持するケージとで主要部が構成される。

外輪のトラック溝中心はその内球面中心に対して外輪開口側、また、内輪のトラック溝中心はその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（トラックオフセット）。

これにより、外輪のトラック溝と内輪のトラック溝とで構成されるボールトラックは、外輪の開口側に向けて拡開する楔形となっている。ＢＪでは各トラック溝の全域が曲線状になっているが、ＵＪでは各トラック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。

一般的に自動車のステアリング装置に組み込まれる軸継手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、等速自在継手内部に予圧手段を設けてトラック溝すきまを詰めることを提案している（例えば、特許文献１参照）。

固定式等速自在継手には機能及び加工面から、外輪のトラック溝と内輪のトラック溝間にはボールを介してすきまがあり、また、外輪の内球面とケージの外球面、内輪の外球面とケージの内球面にもすきまが存在する。

これらすきまは、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ャル方向に移動させたときの移動量となり、移動させる方向によって、ラジアルすきま、アキシャルすきまのように呼ばれる。

これらすきまは、内・外輪間の円周方向のガタツキ（回転バックラッシュ）に大きく影響を与え、特にトラック溝すきまが大きい程回転バックラッシュも大きくなる。このため、一定以上の回転バックラッシュ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ュを嫌う用途には一般的に採用されるには至っていない。
特開２００３−１３００８２号公報 特開２００５−２２１０３２号公報

ところで、前述した内・外輪間の円周方向すきま（回転バックラッシュ）をなくしてフィーリング特性を向上させることを目的とした固定式等速自在継手が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

この等速自在継手では、内輪にスプライン嵌合されたシャフトの奥側端部にケースを装着し、そのケースの内部に圧縮コイルばねを介してボールを収容し、そのボールをケース開口部から突出させている。一方、ケージの奥側端部に凹球面状の受け部材を装着し、内輪側のボールをケージ側の受け部材に当接させている。

圧縮コイルばねによるボールからの弾性的押圧力を受け部材で受けることにより、内輪をボールトラックの拡径側に向けて軸方向変位させることでもって、回転バックラッシュを詰めるようにしている。

ここで、回転バックラッシュを確実になくすためには、圧縮コイルばねの弾性力を大きくすればよいが、一つの圧縮コイルばねの弾性力を大きくするための設計には限界がある。つまり、圧縮コイルばねの弾性力を大きくするための設計としては、コイルばねの線径を大きくする、コイル径を小さくする、あるいは自由長を長くする手段がある。

しかしながら、これらいずれの手段を採用するにしても、一つの圧縮コイルばねの弾性力で回転バックラッシュを確実になくすことが困難な場合があり、また、等速自在継手の捩れ角−トルク特性、つまり、捩り剛性を大きくすることも場合によっては困難になる可能性があった。

そこで、本発明は前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、簡便な手段により、一つの圧縮コイルばねの設計変更なしでボールに付与される弾性的押圧力を大きくし得る固定式等速自在継手を提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、軸方向に延びる複数のトラック溝が形成された球面状内周面を備えた外方部材と、外方部材のトラック溝と対をなして軸方向に延びる複数のトラック溝が形成された球面状外周面を備えた内方部材と、外方部材のトラック溝と内方部材のトラック溝の協働で形成された楔形のボールトラックに配置されたトルク伝達用ボールと、外方部材の球面状内周面と内方部材の球面状外周面との間に配置されてボールを保持するケージとを備え、内方部材に押圧部を設けると共にその押圧部からの弾性的押圧力を受ける受け部をケージに設け、押圧部からの弾性的押圧力を受け部で受けることにより、内方部材をボールトラックの拡径側に向けて軸方向変位させる固定式等速自在継手において、押圧部は、内方部材の端部に装着されたケースと、そのケース内部に収容されたコイルばねと、そのコイルばねの先端部に配されてケース開口部から突出する球面形状のボールとを備え、コイルばねの弾性的押圧力をボール突出方向に付勢させ、押圧部に弾性的押圧力を付与する手段をコイルばねの並列二重構造とし、コイルばねの並列二重構造は、第一のコイルばねと、その第一のコイルばねの内径側に配置され、第一のコイルばね径よりも小さい径を有する第二のコイルばねとで構成され、第二のコイルばねの自由長を第一のコイルばねよりも長くしたことを特徴とする。ここで、「コイルばねの並列二重構造」とは、二つのコイルばねを並列的に配置した構造を意味する。

本発明に係る固定式等速自在継手では、押圧部に弾性的押圧力を付与する手段をコイルばねの並列二重構造としたことにより、一つのコイルばね自体を設計変更することなく、押圧部に付与する弾性的押圧力を大きくすることができる。その結果、回転バックラッシュをより確実になくすことができ、等速自在継手の捩れ角−トルク特性、つまり、捩り剛性を大きくすることも容易となる。

本発明における押圧部は、内方部材の端部に装着されたケースと、そのケース内部に収容されたコイルばねと、そのコイルばねの先端部に配されてケース開口部から突出するボールとを備え、コイルばねの弾性的押圧力をボール突出方向に付勢させた構造とする。このような構造としたことにより、コイルばねの並列二重構造は、ケースの内部に二つのコイルばねを収容することにより実現される。

コイルばねをケースの内部に収容する場合、コイルばねの基端部が接触するケース底部に、コイルばねの基端部を位置決めする規制部を形成した構造が望ましい。このようにすれば、ケース底部に形成された規制部により、コイルばねの基端部が位置決めされることでそのコイルばねの姿勢を安定化させることができ、コイルばねの弾性的押圧力をボール突出方向に確実に付勢させることが容易となる。

また、ケースの内部に二つのコイルばねを収容する並列二重構造は、第一のコイルばねと、その第一のコイルばねの内径側に配置され、第一のコイルばね径よりも小さい径を有する第二のコイルばねとで構成する。これにより、ケース内部の制約されたスペースに、第一のコイルばねと第二のコイルばねを有効に配設することができる。

本発明におけるコイルばねの並列二重構造において、第二のコイルばねの自由長を第一のコイルばねよりも長くした構造とする。これにより、第一のコイルばねの内径側に配置された第二のコイルばねの弾性的押圧力をボールに確実に作用させることができる。つまり、弾性的押圧力が付与されるボールが球面形状であるため、第一のコイルばねの内径側に位置する第二のコイルばねの自由長を第一のコイルばねよりも長くすれば、第二のコイルばねの先端部をボールに確実に当接させることができる。

以上で説明した固定式等速自在継手は、自動車のステアリング装置に組み込めば、等速自在継手内のトラック溝すきまを詰めて回転バックラッシュを防止する上で、より一層顕著な効果を発揮する。自動車のステアリング装置は、モータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置であってもよいし、油圧式のパワーステアリング装置であってもよい。

本発明によれば、押圧部に弾性的押圧力を付与する手段をコイルばねの並列二重構造としたことにより、一つのコイルばね自体を設計変更することなく、押圧部に付与される弾性的押圧力を大きくすることができる。その結果、回転バックラッシュをより確実になくすことができ、等速自在継手の捩れ角−トルク特性、つまり、捩り剛性を大きくすることも容易となる。

この固定式等速自在継手を自動車のステアリング装置に組み込んだ場合、車両直進付近のステアリング操作感の改善が図れてフィーリング特性を向上させることができ、異音の発生もない高品質の固定式等速自在継手を提供できる。

本発明に係る固定式等速自在継手の実施形態を詳述する。以下の実施形態では、ステアリング用固定式等速自在継手の一種であるツェッパ型（ＢＪ）に適用した場合を例示するが、本発明はこれに限定されることなく、アンダーカットフリー型（ＵＪ）にも適用可能である。また、本発明の固定式等速自在継手は、ステアリング用に限らず、ドライブシャフト用あるいはプロペラシャフト用としても使用することが可能である。

まず、固定式等速自在継手が組み込まれるステアリング装置を簡単に説明する。ステアリング装置は、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように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軸継手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。この軸継手１に固定式等速自在継手を使用する。図４（ｂ）における符号αは、継手の作動角を表しており、その作動角αが３０°を越える大角度も設定可能である。

次に、固定式等速自在継手について説明する。この実施形態の固定式等速自在継手１はツェッパ型ジョイント（ＢＪ）で、図１に示すように外方部材としての外輪１０と、内方部材を構成する内輪２０およびシャフト２と、トルクを伝達するボール３０と、ボール３０を保持するケージ４０を主要な構成要素として成り立っている。外輪１０は入力軸または出力軸と接続され、内輪２０は出力軸または入力軸と接続される。この実施形態では、内輪２０の内周にセレーションやスプライン等のトルク伝達手段を介してシャフト２を結合することにより、内方部材を構成している。

前述の外輪１０は一端にて開口したカップ状で、球面状内周面１２の円周方向等配位置に、軸方向に延びる複数のトラック溝１４が形成されている。また、内輪２０は、球面状外周面２２の円周方向等配位置に、軸方向に延びる複数のトラック溝２４が形成されている。外輪１０のトラック溝１４と内輪２０のトラック溝２４とは対をなしてボールトラックを形成し、各ボールトラックに一個のボール３０がそれぞれ組み込んである。ケージ４０は外輪１０の球面状内周面１２と内輪２０の球面状外周面２２との間に摺動自在に介在し、各ボール３０はケージ４０のポケット４６に収容されて円周方向で等間隔に保持されている。

ケージ４０の外周面４２は外輪１０の球面状内周面１２と球面嵌合し、ケージ４０の内周面４４は内輪２０の球面状外周面２２と球面嵌合している。そして、外輪１０の球面状内周面１２の中心と、内輪２０の球面状外周面２２の中心は継手中心Ｏと一致している。これに対して、外輪１０のトラック溝１４の曲率中心Ｏ₁と、内輪２０のトラック溝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、一対のトラック溝１４，２４により形成されるボールトラックは、外輪１０の奥側から開口側に向かって拡がる楔状を呈している。

この固定式等速自在継手において、外輪１０と内輪２０とがどのような作動角をとっても、ケージ４０に案内されたボール３０は常に作動角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。

この固定式等速自在継手では、図１に示すようにシャフト２の軸端２ｂにプランジャユニット５０を取り付けている。このプランジャユニット５０は、押圧部としてのボール５３と、そのボール５３に弾性的押圧力を付与する手段としての第一の圧縮コイルばね５４ａおよび第二の圧縮コイルばね５４ｂと、ボール５３と二つの圧縮コイルばね５４ａ，５４ｂを収容するケース５５とからなるアッセンブリ体である。

このプランジャユニット５０では、シャフト２の軸端２ｂの凹孔２ａに圧入嵌合されたケース５５の開口部５５ａからボール５３が突出し、第一の圧縮コイルばね５４ａおよび第二の圧縮コイルばね５４ｂの弾性的押圧力を外輪１０の奥側（ボール突出方向）に付勢させている。

図２は図１の部分拡大図で、シャフト２の軸端２ｂに装着されたプランジャユニット５０を示す。このプランジャユニット５０における圧縮コイルばねの並列二重構造は、第一の圧縮コイルばね５４ａと第二の圧縮コイルばね５４ｂとを並列的に配置した構成としている。

つまり、ケース５５の内部に、第一の圧縮コイルばね５４ａと第二の圧縮コイルばね５４ｂが収容され、第二の圧縮コイルばね５４ｂは、第一の圧縮コイルばね５４ａの内径側に配置され、第一の圧縮コイルばね径よりも小さい径を有する。

このように、大径の第一の圧縮コイルばね５４ａと小径の第二の圧縮コイルばね５４ｂを同心状配置でケース５５に収容すれば、ケース５５の内部の制約されたスペースに、第一の圧縮コイルばね５４ａと第二の圧縮コイルばね５４ｂを有効に配設することができる。

第一の圧縮コイルばね５４ａおよび第二の圧縮コイルばね５４ｂをケース５５の内部に収容した構造において、図３（ａ）（ｂ）に示すように第一の圧縮コイルばね５４ａおよび第二の圧縮コイルばね５４ｂの基端部が接触するケース５５の底部５５ｂに、第一の圧縮コイルばね５４ａおよび第二の圧縮コイルばね５４ｂの基端部を位置決めする規制部５１を形成する。

この規制部５１としては、ケース５５の底部５５ｂを断面波状に成形した構造を例示する。ケース５５の内周壁面と底面に形成された環状凸部５１ａとの間で第一の圧縮コイルばね５４ａを位置決めし、その環状凸部５１ａと底面に形成された中央凸部５１ｂとの間で第二の圧縮コイルばね５４ｂを位置決めしている。

このようにケース５５の底部５５ｂに規制部５１を設けたことにより、第一の圧縮コイルばね５４ａおよび第二の圧縮コイルばね５４ｂの基端部が位置決めされることで第一の圧縮コイルばね５４ａおよび第二の圧縮コイルばね５４ｂの姿勢を安定化させることができ、第一の圧縮コイルばね５４ａおよび第二の圧縮コイルばね５４ｂの弾性的押圧力をボール突出方向に確実に付勢させることが容易となる。

ここで、図３（ａ）に示すように外径側に位置する第一の圧縮コイルばね５４ａの自由長をＬ₁、内径側に位置する第二の圧縮コイルばね５４ｂの自由長をＬ₂とし、第二の圧縮コイルばね５４ｂの自由長Ｌ₂を第一の圧縮コイルばね５４ａの自然長Ｌ₁よりも長くする（Ｌ₂＞Ｌ₁）。

このようにすれば、第一の圧縮コイルばね５４ａの内径側に配置された第二の圧縮コイルばね５４ｂの弾性的押圧力をボール５３に確実に作用させることができる。つまり、第一の圧縮コイルばね５４ａと第二の圧縮コイルばね５４ｂにより弾性的押圧力が付与されるボール５３が球面形状であるため、第一の圧縮コイルばね５４ａの内径側に位置する第二の圧縮コイルばね５４ｂの自由長Ｌ₂を第一のコイルばね５４ａの自由長Ｌ₁よりも長くすれば、第二のコイルばね５４ｂの先端部がボール５３に確実に当接する。

一方、図１に示すようにプランジャユニット５０のボール５３から弾性的押圧力を受ける受け部５６をケージ４０に設けている。この受け部５６は、ケージ４０の端部開口を覆う部分球面状をなし、その周縁部をケージ４０の開口端部に圧入することにより固定されている。受け部５６の内面５６ａ（シャフト２と対向する面）は凹球面状をなし、この凹球面状内面５６ａがボール５３からの弾性的押圧力を受ける機能を発揮する。

以上の構成において、シャフト２と内輪２０をセレーション結合し、内輪２０に対するシャフト抜け止め用の止め輪４により両者が完全に結合されると（図１参照）、プランジャユニット５０のボール５３と受け部５６の凹球面状内面５６ａとが互いに当接し、ボール５３が退入して第一の圧縮コイルばね５４ａおよび第二の圧縮コイルばね５４ｂが圧縮される。

このボール５３からの弾性的押圧力により、シャフト２と一体化された内輪２０が外輪１０の開口側に軸方向変位し、この内輪２０の軸方向変位によりトラック溝１４，２４に配置されたボール３０とトラック溝１４，２４が当接するため、回転バックラッシュが確実に防止される。

ここで、この固定式等速自在継手では、プランジャユニット５０において、ボール５３に弾性的押圧力を付与する手段を、第一の圧縮コイルばね５４ａと第二の圧縮コイルばね５４ｂとからなる並列二重構造としたことにより、一つのコイルばね自体を設計変更することなく、押圧部としてのボール５３に付与される弾性的押圧力を大きくすることができる。その結果、回転バックラッシュをより確実になくすことができ、等速自在継手の捩れ角−トルク特性、つまり、捩り剛性を大きくすることも容易となる。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

本発明に係る固定式等速自在継手の実施形態で、ステアリング用等速自在継手の全体構成を示す断面図である。 図１のシャフト軸端に装着されたプランジャユニットを示す要部拡大断面図である。 （ａ）は図２のプランジャユニットのケースおよび第一の圧縮コイルばねと第二の圧縮コイルばねを示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ方向矢視図である。 （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。

符号の説明

２ 内方部材（シャフト）
１０ 外方部材（外輪）
１２ 球面状内周面
１４ 外方部材（外輪）のトラック溝
２０ 内方部材（内輪）
２２ 球面状外周面
２４ 内方部材（内輪）のトラック溝
３０ ボール
４０ ケージ
５３ 押圧部（ボール）
５４ａ 第一の圧縮コイルばね
５４ｂ 第二の圧縮コイルばね
５６ 受け部

Claims (3)

1. 軸方向に延びる複数のトラック溝が形成された球面状内周面を備えた外方部材と、前記外方部材のトラック溝と対をなして軸方向に延びる複数のトラック溝が形成された球面状外周面を備えた内方部材と、外方部材のトラック溝と内方部材のトラック溝の協働で形成された楔形のボールトラックに配置されたトルク伝達用ボールと、外方部材の球面状内周面と内方部材の球面状外周面との間に配置されてボールを保持するケージとを備え、前記内方部材に押圧部を設けると共にその押圧部からの弾性的押圧力を受ける受け部をケージに設け、前記押圧部からの弾性的押圧力を受け部で受けることにより、内方部材を前記ボールトラックの拡径側に向けて軸方向変位させる固定式等速自在継手において、
   前記押圧部は、内方部材の端部に装着されたケースと、そのケース内部に収容されたコイルばねと、そのコイルばねの先端部に配されてケース開口部から突出する球面形状のボールとを備え、前記コイルばねの弾性的押圧力をボール突出方向に付勢させ、
   前記押圧部に弾性的押圧力を付与する手段をコイルばねの並列二重構造とし、前記コイルばねの並列二重構造は、第一のコイルばねと、その第一のコイルばねの内径側に配置され、第一のコイルばね径よりも小さい径を有する第二のコイルばねとで構成され、前記第二のコイルばねの自由長を第一のコイルばねよりも長くしたことを特徴とする固定式等速自在継手。
2. 前記コイルばねの基端部が接触するケース底部に、コイルばねの基端部を位置決めする規制部が形成されている請求項１に記載の固定式等速自在継手。
3. 自動車のステアリング装置に組み込まれた請求項１又は２に記載の固定式等速自在継手。

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