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JP2007016901A - 伸縮自在シャフトおよび車両ステアリング用伸縮自在シャフト - Google Patents

伸縮自在シャフトおよび車両ステアリング用伸縮自在シャフト Download PDF

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JP2007016901A JP2005199026A JP2005199026A JP2007016901A JP 2007016901 A JP2007016901 A JP 2007016901A JP 2005199026 A JP2005199026 A JP 2005199026A JP 2005199026 A JP2005199026 A JP 2005199026A JP 2007016901 A JP2007016901 A JP 2007016901A
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Abstract

【課題】車両のステアリング装置の中間軸等に適用される伸縮自在シャフトにおいて、スライド抵抗を小さくすること。
【解決手段】中間軸5は、互いに嵌め合わされた内軸13および外軸14と、両軸13,14の互いに対向する軸方向溝16,17間に弾性的に挟持されて列19をなす複数のボール15とを備えている。各ボール15はそれぞれ、隣接するボール15と接触可能とされている。ボール15は、互いに外径の異なる複数種類のボールとしての大ボール151および小ボール152を含んでいる。
【選択図】 図4

Description

本発明は、伸縮自在シャフトおよび車両ステアリング用伸縮自在シャフトに関する。
例えば、自動車等の車両用のステアリング装置には、伸縮自在シャフトが備えられている。具体的には、上記伸縮自在シャフトは中間軸を構成しており、ステアリングシャフトとステアリングギヤとの間に介装されている。これにより、ステアリングホイールに加わる回転操作力が、ステアリングシャフトおよび中間軸を介して、ステアリングギヤに伝わるようになっている。
上記の中間軸には、ボールスプライン構造を採用しているものがある(たとえば、特許文献1参照)。具体的には、内軸および筒状の外軸のそれぞれに形成された軸方向溝間に、中間軸の軸方向に並んで列をなす複数のボールを介在させている。
特許文献1では、外軸と内軸との間にボールを弾性的に挟持してボールに予圧を与えるようになっている。また、総ボール型のボールスプライン構造とされており、軸方向溝内の隣り合うボール同士が接触可能となっている。
DE3730393 C2号明細書
特許文献1の場合、各ボールはそれぞれ、内軸と外軸とによって弾性的に挟持されて両軸に対する滑りが規制されている。また、隣り合うボールと接触可能とされている。
上記の構成を有している結果、内軸と外軸とが相対移動すること等により隣り合うボール同士が接触すると、これらのボールは互いにすべり接触することとなる。したがって、上記隣接するボールの互いの接触部分で大きな摩擦力が生じ、スライド抵抗(中間軸の伸縮に伴って内軸と外軸とを相対移動させるときに発生する抵抗荷重)が大きくなってしまう。
特に、両軸の相対移動が止まっているときに、上記隣接するボールが互いに接触していると、ボール同士の接触部分で静止摩擦力が生じるので、次に両軸の相対移動を開始させる際の(スライドを開始する際の)スライド抵抗が大きくなってしまう。
同様の課題は、ステアリング装置に備えられる伸縮自在シャフトに限らず、他の用途に用いられる伸縮自在シャフトにおいても存在する。
本発明は、かかる背景のもとでなされたもので、スライド抵抗が大きくなることを防止できる伸縮自在シャフトを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、互いに嵌め合わされた内軸(13)および筒状の外軸(14)と、内軸および外軸の軸方向(S)に延び互いに対向する少なくとも一対の軸方向溝(16,17)と、上記互いに対向する軸方向溝間に弾性的に挟持され軸方向溝の延びる方向に並ぶ列(19)をなす複数の玉状の転動体(15)とを備え、上記複数の転動体のそれぞれは、隣接する転動体と接触可能とされ、上記複数の転動体は、互いに径(D1,D2)の異なる複数種類の転動体(151,152)を含むことを特徴とする伸縮自在シャフト(5;5A)を提供するものである。
なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
本発明によれば、径の相異なる隣接する転動体同士が接触したとき、当該転動体のうち、径が小さくて予圧が付与されていない転動体は、内軸および外軸から挟持力を受けないので、接触している隣の転動体に対して転がり接触することができる。その結果、内軸と外軸とが転動体を介して相対移動する際に、上記隣接して接触する転動体間の摩擦抵抗を可及的に小さくでき、スライド抵抗(伸縮自在シャフトの伸縮に伴って内軸と外軸とを相対移動させるときに発生する抵抗荷重)を小さくすることができる。
また、本発明において、各転動体はそれぞれ隣接する転動体と相異なる径を有している場合がある。この場合、隣接する転動体のうち、少なくとも一方は予圧が付与されず、内軸および外軸から挟持力を受けない。その結果、いずれの転動体も、隣接する転動体と転がり接触することができ、スライド抵抗をより小さくすることができる。
また、本発明において、上記列の一対の端部の転動体(151)は、上記複数の転動体のなかで最も大きい径(D1)を有する場合がある。この場合、列の一対の端部の転動体は、常に予圧が付与されて内軸および外軸間に挟持されている。これにより、列の一対の端部の転動体は、内軸および外軸に対して不用意に移動することが防止される。また、残りの転動体についても、上記一対の端部の転動体で挟まれているので、内軸および外軸に対して不用意に移動することが防止される。
また、本発明において、上記列の一対の端部の転動体(152)は、上記複数の転動体のなかで最も小さい径(D2)を有する場合がある。
仮に、列の全転動体の径を相等しくしていると、内軸と外軸との間に転動体を介してトルクが作用して内軸および外軸が捩れたとき、内軸および外軸が転動体を押圧する力が大きくなる。特に、列の一対の端部の転動体への押圧力が最も大きくなる。しかしながら、本発明の場合、列の一対の端部の径を相対的に小さくしていることにより、内軸および外軸にトルクが作用して両軸が捩れた時の、列の一対の端部の転動体を押圧する力を小さくできる。その結果、各軸方向溝が転動体から受ける最大面圧を低減して伸縮自在シャフトとしての耐久性(内軸および外軸の耐圧痕性、耐疲労性)を向上することができる。
また、本発明は、上記に記載の伸縮自在シャフトを用いて操舵部材(2)の操舵トルクを伝達する車両ステアリング用伸縮自在シャフト(5;5A)を提供するものである。
本発明によれば、操舵部材と、操舵部材から操舵トルクを受けて動作するステアリング機構との間に伸縮可能部位が存在することになる。これにより、例えば、伸縮自在シャフトを、ステアリングシャフトとステアリング機構との間に配置される中間軸として用いた場合、操向輪からの入力によりステアリング機構が車体に対して変位したときに、中間軸が伸縮してこの変位を吸収でき、ステアリングシャフトに無理な力が加わることを防止できる。また、例えば、伸縮自在シャフトを、ステアリングシャフトとして用いた場合、車両の衝突時にステアリングシャフトが収縮して運転者に与える衝撃を低減することができる。
本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明の一実施の形態にかかる伸縮自在シャフトが中間軸に適用されたステアリング装置の模式図であり、図2は中間軸の一部断面図であり、図3は図2のIII−III線に沿う断面図である。
なお、以下では、伸縮自在シャフトを車両のステアリング装置の中間軸に適用した場合を説明するが、本発明は、他の用途に用いられる伸縮自在シャフトに適用してもよい。
図1を参照して、ステアリング装置1は、一端に図示しないステアリングホイール等の操舵部材2が固定されたステアリングシャフト3と、このステアリングシャフト3と自在継手4を介して一体回転可能に連結された伸縮自在シャフトとしての中間軸5と、この中間軸5と自在継手6を介して一体回転可能に連結されたピニオン軸7と、このピニオン軸7に設けられたピニオン7aに噛み合うラック8aを有して車両の左右方向に延びるラック軸8とを有している。ラック軸8の両端部にはそれぞれタイロッド9が結合されており、各タイロッド9は対応するナックルアーム10を介して対応する操向輪11に連結されている。
ラック軸8は図示しない軸受を介してハウジング12により軸方向に移動自在に支持されている。ピニオン軸7、ラック軸8、タイロッド9、ナックルアーム10および操向輪11を含むステアリング機構Aが構成されている。
操舵部材2が操作されて操舵トルクが発生し、ステアリングシャフト3が回転されると、この回転がピニオン7aおよびラック8aによって、車両の左右方向に沿ってのラック軸8の直線運動に変換される。これにより、操向輪11の転舵が達成される。
図1および図2を参照して、中間軸5は、例えば、保持器を持たない総ボール型のボールスプラインシャフトであり、棒状の内軸13と、内軸13に嵌め合わされた筒状の外軸14と、内軸13と外軸14との間に介装された複数の転動体としてのボール15とを含んでいる。内軸13と外軸14とは、複数のボール15を介して、内軸13(外軸14)の軸方向Sに相対移動可能に且つトルク伝達可能に連結されている。
実際には、上記複数のボール15は、後述するように相対的に径の大きい大ボール151と相対的に径の小さい小ボール152とを含んでいるが、これらを総称していうときには単にボール15ということにする。
内軸13は、軸方向Sに細長に形成されており、一端部が自在継手4に接続されている。なお、内軸13は、例えば数mmの肉厚を有する中空軸によって形成されていてもよい。外軸14は、軸方向Sに細長に形成されており、一端部が自在継手6に接続されている。外軸14の肉厚は、例えば数mmとされており、外力を受けたときに弾性変形できるようになっている。
図2および図3を参照して、内軸13と外軸14とは、互いの他端部側の一部が嵌め合わされている。内軸13の外周面131および外軸14の内周面141には、それぞれ、他端部から一端部側に向かって軸方向Sに延びる断面円弧状の軸方向溝16,17が形成されている。内軸13の軸方向溝16および外軸14の軸方向溝17は、互いに同数(少なくとも一対、本実施の形態では、4対)が周方向に等間隔に配置されており、互いに対向している。
内軸13と外軸14の互いに対向する軸方向溝16,17間に軌道路18が区画されている。各軌道路18には、上記複数のボール15が軸方向S(軸方向溝16,17の延びる方向)に並ぶ1つの列19をなして配置されている。
各ボール15は、玉状に形成されている。各列19において、ボール15は複数(例えば、5つ)設けられており、対応する軌道路18内において軸方向Sに整列されている。各軌道路18内には、潤滑剤としてのグリースが注入されており、各ボール15と各軸方向溝16,17との接触部分が潤滑されるようになっている。各ボール15はそれぞれ、軸方向Sに隣接するボール15と接触可能となっている。
内軸13と外軸14とが軸方向Sに相対移動する際、ボール15がこれら内軸13および外軸14のそれぞれに対して転がり運動するようになっている。これにより、スライド抵抗(中間軸5の伸縮に伴って内軸13と外軸14とを相対移動させるときに発生する抵抗荷重。)が小さくされている。
内軸13の他端部および外軸14の他端部のそれぞれには、ストッパ20,21が設けられている。ストッパ20,21は、ボール15が対応する軌道路18から軸方向Sに抜脱するのを防止するためのものである。
一方のストッパ20は、内軸13の他端の外周溝に嵌合された止め輪からなる。他方のストッパは、外軸14の他端の内周溝に嵌合された止め輪からなる。
一方のストッパ20は、中間軸5の伸張時に、各列19の一端にあるボール15と接触して当該ボール15のさらなる軸方向移動を規制するようになっており、他方のストッパ21は、中間軸5の伸張時に、各列19の他端にあるボール15と接触して当該ボール15のさらなる軸方向移動を規制するようになっている。
各列19において、ボール15には、予圧が付与されるようになっており、これにより、ボール15と対応する内軸13および外軸14との間の隙間を詰めて、ボール15を介した内軸13と外軸14との回転方向の遊びを規制するとともに、中間軸5の捩り剛性を高くしている。
具体的には、各軸方向溝16,17間にボール15を介在させることで、外軸14を径方向外方に弾性変形させ(すなわち弾性的に拡径させ)、外軸14に弾性復元力による収縮力を発生させている。これにより、内軸13および外軸14の互いに対向する軸方向溝16,17間に、ボール15を弾性的に挟持している。すなわち、予圧用の弾性体としての外軸14を用いて、ボール15を、互いに対向する軸方向溝16,17間に弾性的に挟持している。
本実施の形態の特徴とするところは、各列19において、互いに外径(直径)の異なる複数種類のボールとしての大ボール151および小ボール152が設けられている点にある。なお、各列19の構成は同様であるため、以下では、主に1つの列19について説明する。
大ボール151は、所定の外径D1を有するボールであり、各軸方向溝16,17の直径よりもわずかに小さい外径とされている。大ボール151は、外軸14からの予圧力を受けて、内軸13の軸方向溝16および外軸14の軸方向溝17のそれぞれに挟持されて挟持力を受けており、これら内軸13および外軸14のそれぞれに対して転がり接触するようになっている。
小ボール152は、大ボール151よりも小さい外径D2(D2<D1)を有している。小ボールの外径D2は、大ボール151の外径D1よりも、例えば数10μm小さくされている。
このため、小ボール152は、外軸14からの予圧力を受けず(受けたとしても、ごくわずかな予圧力しか受けず)、内軸13の軸方向溝16および外軸14の軸方向溝17の間の隙間で、わずかに遊動できるようになっている。
大ボール151と小ボール152とは、軸方向Sに交互に配置されており、各ボール15はそれぞれ、隣接するボール同士の径が相異なるようにされている。また、1つの列19には奇数個のボール15が配置されており、列19の一対の端部のボール15はそれぞれ、大ボール151とされている。すなわち、列19の一対の端部のボール15は、ボール15のなかで最も大きい外径D1を有している大ボール151である。
なお、大ボール151と小ボール152とは、軸方向Sの少なくとも一部において交互に配置されていればよく、同じ外径を有するボール15が並んで配置されている領域があってもよい。
以上の概略構成を有するステアリング装置において、中間軸5は以下の動作を行い得る。すなわち、内軸13と外軸14とを軸方向Sに相対移動させて中間軸5を伸縮させたとき、内軸13と外軸14との間に介在する各大ボール151は、これら内軸13および外軸14のそれぞれと転がり接触し、両軸13,14間の滑らかな相対移動が行われる。
また、図4を参照して、例えば、中間軸5を前述のステアリングシャフトとピニオン軸との間に組み付ける際等において、内軸13と外軸14とを互いに離れるように軸方向Sに相対移動させて、中間軸5を一杯に伸張すると、各列19のボール15は、対応するストッパ20,21に挟まれて、隣接するボール15同士が互いに接触した状態となる。
この状態から、内軸13および外軸14を互いに近づくように軸方向Sに(白抜き矢符の方向に)相対移動して、中間軸5を収縮させるとき、各ボール15は、隣接して接触しているボール15に対して、矢印に示すように、反対方向に回転しようとする。このとき、隣接するボール15の少なくとも一方(小ボール152)は、内軸13および外軸14から挟持力を受けていないことにより、軸方向溝16,17間で遊動することができる。その結果、隣接するボール15同士は、滑らかに転がり運動する。
以上説明したように、本実施の形態によれば、大ボール151に予圧を付与することにより、大ボール151と対応する軸方向溝16,17との間の隙間を詰めることができ、その結果、大ボール151を介した内軸13と外軸14との回転方向の遊びを規制するとともに、中間軸5の捩り剛性を高めることができる。
また、軸方向Sに隣接するボール15同士が接触可能とされているので、これら隣接するボール15間の距離を小さくして軸方向溝16,17に多くのボール15を介装することができる。これにより、ボール15を介した内軸13と外軸14との間の許容伝達トルクを大きくすることができる。
さらに、外径の相異なる隣接するボール同士、すなわち隣接する大ボール151と小ボール152とが接触したとき、これらのボール151,152のうち、外径が小さくて予圧が付与されていない小ボール152は、内軸13および外軸14から挟持力を受けないので、内軸13および外軸14に挟まれて自転が規制されることなく、接触している隣の大ボール151に対して転がり接触することができる。その結果、内軸13と外軸14とがボール15を介して相対移動する際に、上記隣接して接触するボール15間の摩擦抵抗を可及的に小さくでき、スライド抵抗を小さくすることができる。
また、各ボール15はそれぞれ隣接するボール15と相異なる外径を有しているので、隣接するボール15のうち、少なくとも一方(小ボール152)は予圧が付与されず、内軸13および外軸14から挟持力を受けない。その結果、いずれのボール15も、隣接するボール15と転がり接触することができ、スライド抵抗をより小さくできる。
さらに、各列19の一対の端部の大ボール151は、ボール15のなかで最も大きい外径を有している。したがって、各列19の一対の端部の大ボール151は、常に予圧が付与されて内軸13および外軸14間に挟持されている。これにより、各列19の一対の端部の大ボール151は、内軸13および外軸14に対して不用意に移動することが防止される。また、残りのボール15についても、上記一対の端部の大ボール151で挟まれているので、内軸13および外軸14に対して不用意に移動することが防止される。比較的低負荷(トルク)で用いられる小型車のステアリング用の中間軸として好適である。このような中間軸であれば、各列19の一対の端部の大ボール15に大きな予圧を付与できるので、これら一対の端部の大ボール15の不用意な移動をより確実に防止できるからである。
また、伸縮自在シャフトとしての中間軸5を用いて操舵部材2の操舵トルクをステアリング機構Aに伝達している。すなわち、操舵部材2と、操舵部材2から操舵トルクを受けて動作するステアリング機構Aとの間に、伸縮可能部位が存在することになる。これにより、操向輪11からの入力によりステアリング機構Aが車体に対して変位したときに、中間軸5が伸縮して、この変位を吸収でき、ステアリングシャフト3に無理な力が加わることを防止できる。
図5は、本発明の別の実施の形態を説明するための要部の模式的な断面図、ならびにトルク作用時における内軸13および外軸14の捩れ角を示すグラフ図である。なお、本実施の形態では、図1〜図4に示す実施の形態と異なる点について主に説明し、同様の構成については図に同様の符号を付してその説明を省略する。
図5を参照して、本実施の特徴とするところは、各列19(図5において、1つの列19のみを図示)の一対の端部のボール15が、ボール15のなかで最も小さい外径を有する小ボール152とされている点にある。
また、各列19において、各ボール15はそれぞれ、共通の保持器22によって対応する軌道路18に一括して保持されている。保持器22は、例えば合成樹脂製の軸方向Sに長い板状の部材であり、軸方向Sに長い溝23を有している。溝23に、対応する列19の各ボール15が通されている。
上記の構成を有する中間軸5Aは、内軸13と外軸14との間にボール15を介してトルクが作用したとき、これら内軸13および外軸14が弾性的に捩れる。このときの内軸13および外軸14のそれぞれの捩れ角は、ボール15と対向している領域において、他端部から一端部に向かうにつれて大きくなる。
このとき、仮に、全ボール15の外径を相等しくしていると、内軸13および外軸14がボール15を押圧する力は、トルクの作用していないときよりも大きくなる。特に、列19の中央から一対の端部のそれぞれに進むにしたがい、対応するボール15への押圧力が大きくなり、列19の一対の端部のボール15への押圧力が最も大きくなる。すなわち、各ボール15間の負荷に偏りが生じる。
しかしながら、本実施の形態によれば、各列19の一対の端部のボール15の径を相対的に小さくしているので、内軸13および外軸14にトルクが作用して両軸13,14が捩れた時の、列19の一対の端部のボール15を押圧する力を小さくできる。その結果、各ボール15に作用する負荷の偏りを少なくできる。また、各軸方向溝16,17がボール15から受ける最大面圧を低減して中間軸5Aとしての耐久性(内軸13および外軸14の耐圧痕性、耐疲労性)を向上することができる。十分な耐久性を確保できるので、比較的高負荷(トルク)で用いられる大型車のステアリング用の中間軸として好適である。
また、保持器22を設けていることにより、列19の一対の端部にある、内軸13および外軸14から挟持力を受けていない小ボール152が、内軸13および外軸14に対して不用意に移動することを抑制できる。
なお、本実施の形態において、列19の一方の端部のボール15のみを、小ボール152としてもよい。
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されるものではない。例えば、図1〜図4に示す実施の形態において、列19のうち、一対の端部のボール15を大ボール151とするとともに、残りのボール15を小ボール152としてもよい。また、列19のうち、一対の端部のそれぞれにある2つのボール15を大ボール151とするとともに、残りのボール15を小ボール152としてもよい。
また、図5に示す実施の形態において、列19のうち、一対の端部のボール15を小ボール152とするとともに、残りのボール15を大ボール151としてもよい。また、列19のうち、一対の端部のそれぞれにある2つのボール15を小ボール151とするとともに、残りのボール15を大ボール151としてもよい。
さらに、上記各実施の形態において、大ボール151および小ボール152をそれぞれ、複数個ずつ交互に配置してもよい。また、大ボール151と小ボール152とを軸方向Sに交互に配置しなくてもよい。
また、1つの列19に、互いに外径の異なる3種類以上のボール15を配置してもよい。特に、図5に示す実施の形態においては、列19の中央から一対の端部に進むにしたがい、ボール15の外径が小さくなるようにすることが好ましい。この場合、内軸13と外軸14との間にボール15を介してトルクが作用し、両軸13,14が捩れたときに、各ボール15がこれら両軸13,14によって押圧される力を平準化でき、各ボール15に作用する負荷をより均一にすることができる。その結果、中間軸5Aの耐久性をより向上することができる。
さらに、上記各実施の形態において、ボール15に予圧を付与するための弾性体を別途設けてもよい。このような弾性体として、外軸14を締め付ける環状のばね部材を例示することができる。
また、本発明の伸縮自在シャフトを、ステアリングシャフトに適用してもよい。この場合、内軸および外軸のいずれか一方に操舵部材が固定され、他方が自在継手を介して中間軸に一体回転可能に連結される。これにより、仮に車両が衝突し、運転者が操舵部材に衝突(2次衝突)して、ステアリングシャフトに衝撃荷重が作用したときに、ステアリングシャフトが収縮でき、その結果、運転者に与える衝撃を低減することができる。
本発明の一実施の形態にかかる伸縮自在シャフトが中間軸に適用されたステアリング装置の模式図である。 中間軸の一部断面図である。 図2のIII−III線に沿う断面図である。 中間軸の動作について説明するための要部の断面図である。 本発明の別の実施の形態を説明するための要部の模式的な断面図、ならびにトルク作用時における内軸および外軸の捩れ角を示すグラフ図である。
符号の説明
2…操舵部材、5,5A…中間軸(伸縮自在シャフト。車両ステアリング用伸縮自在シャフト)、13…内軸、14…外軸、15…ボール(転動体)、151…大ボール(最も大きい径を有する転動体)、152…小ボール(最も小さい径を有する転動体)、16…(内軸の)軸方向溝、17…(外軸の)軸方向溝、19…列、D1…(大ボールの)外径(最も大きい転動体の径)、D2…(小ボールの)外径(最も小さい転動体の径)、S…軸方向。

Claims (5)

  1. 互いに嵌め合わされた内軸および筒状の外軸と、
    内軸および外軸の軸方向に延び互いに対向する少なくとも一対の軸方向溝と、
    上記互いに対向する軸方向溝間に弾性的に挟持され軸方向溝の延びる方向に並ぶ列をなす複数の玉状の転動体とを備え、
    上記複数の転動体のそれぞれは、隣接する転動体と接触可能とされ、上記複数の転動体は、互いに径の異なる複数種類の転動体を含むことを特徴とする伸縮自在シャフト。
  2. 請求項1において、各転動体はそれぞれ隣接する転動体と相異なる径を有していることを特徴とする伸縮自在シャフト。
  3. 請求項1または2において、上記列の一対の端部の転動体は、上記複数の転動体のなかで最も大きい径を有することを特徴とする伸縮自在シャフト。
  4. 請求項1または2において、上記列の一対の端部の転動体は、上記複数の転動体のなかで最も小さい径を有することを特徴とする伸縮自在シャフト。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の伸縮自在シャフトを用いて操舵部材の操舵トルクを伝達する車両ステアリング用伸縮自在シャフト。

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