JP4962037B2 - 自在継手、これを使用したステアリング装置及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、シャフトに連結された一対のアーム部とこれらアーム部を連結する連結部とでＵ字状に形成された一対のヨークと、該一対のヨークを連結する十字軸とで構成される自在継手、これを使用したステアリング装置及び電動パワーステアリング装置に関する。

この種の自在継手としては、例えば第１、第２ヨークを構成する十字軸結合部材と軸結合部材とに、透孔、スプライン歯、ボルト孔を形成していない状態で、両者を溶接により結合し、この溶接の後で、十字軸結合部材と軸結合部材とに透孔、スプライン歯及びボルト孔を形成するようにして、溶接による歪が透孔、スプライン歯及びボルト孔の相対位置を狂わせないようにした自在継手の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−８７１５２号公報（第１頁、第４頁、図１、図２、図４）

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来例にあっては、自在継手をステアリング装置に使用した場合、近年の電動パワーステアリング装置の発達により、コラム側に操舵補助力を付与する操舵補助機構を備える例が多くなり、コラム側からステアリングギヤ機構に対してトルクを伝達するステアリング軸に自在継手を設けると、自在継手に高トルク伝達機能が要求されるようになっている。

この自在継手の高トルク伝達機能が要求されることにより、ヨークに発生する応力も当然高くなる。このため、図１７及び図１８に示すように、所定距離だけ離れた一対のアーム部１ａ及び１ｂとこれらアーム部１ａ及び１ｂ間を連結する連結部１ｃとでＵ字状に形成されたヨーク２を形成し、連結部１ｃにシャフトを連結する連結孔３を形成した場合には、最大応力の発生部位はアーム１ａ及び１ｂの根元であるが、アーム１ａ及び１ｂの変形に伴い連結部１ｃも変形し、連結孔３のアーム１ａ，１ｂ側は図１９に示すように楕円状に変形する。すなわち、アーム１ａ及び１ｂの中央部と連結孔３の中心点を通る第１の線をＹ軸とし、同様に連結孔３の中心点を通って第１の線と直交する第２の線をＸ軸とするＸＹ座標系で、両座標軸に対して４５度ずれた軸を長軸Ｌ１，Ｌ３及び短軸Ｌ２，Ｌ４とする楕円形に変形し、その短軸Ｌ２，Ｌ４に接する部分が高応力部位となり、この位置にスプラインやセレーションを形成した場合にはより大きな応力集中が発生することになる。回転方向は正逆双方向であるので、応力集中部位が４個所存在してしまうという未解決の課題がある。

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、軸結合位置にスプラインやセレーション等を形成した連結孔を設けた場合でもトルク伝達時に大きな応力集中が生じることを抑制することができる自在継手、これを使用したステアリング装置及び電動パワーステアリング装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る自在継手は、一対のアーム部とこれらアーム部を連結する連結部とでＵ字状に形成されてシャフトに連結された一対のヨークと、該一対のヨークを連結する十字軸とで構成される自在継手であって、少なくとも一方のヨークにおける連結部に形成された前記シャフトとの連結孔の形状を、前記一対のアーム部の中央部間を前記連結孔の中心を通って結ぶ第１の線と前記連結孔の中心を通って前記第１の線と直交する第２の線とを座標軸とする座標系で、前記両座標軸に対して４５度ずれた仮想線近傍の高応力領域で、応力集中を抑制する形状変化率に設定され、前記連結孔はセレーション孔及びスプライン孔の何れか一方であり、前記高応力領域で当該セレーション孔及びスプライン孔の何れか一方が欠歯されて形状変化率が小さい値に設定されていることを特徴としている。

また、請求項２に係る自在継手は、請求項１に係る発明において、応力集中を抑制する形状変化率を有する形状は、直線形状及び曲率半径の大きい円弧形状の何れか一方であることを特徴としている。
さらに、請求項３に係る自在継手は、請求項１又は２に係る発明において、前記仮想線近傍の領域は、前記座標系における第１の線及び第２の線で区切られる４象限の各領域において、当該仮想線を挟む±１５度の範囲内であることを特徴としている。

さらにまた、請求項４に係る自在継手は、請求項１乃至３の何れか１つに係る発明において、前記セレーション孔及びスプライン孔の一対のアーム側の端面に座繰りが形成されていることを特徴としている。

また、請求項５に係るステアリング装置は、前記請求項１乃至４の何れか１つに記載の自在継手を使用したことを特徴としている。

さらに、請求項６に係る電動パワーステアリング装置は、前記請求項１乃至４の何れか１つに記載の自在継手をステアリングコラムに設けた操舵系に操舵補助力を発生する操舵補助機構の出力軸とステアリングギヤ機構との間に介装したことを特徴としている。

本発明によれば、ヨークにおける連結部のトルク伝達時に応力集中し易い高応力領域で、シャフトとの連結孔の応力集中を抑制する形状変化率に設定したので、高応力領域での応力集中を抑制して自在継手の耐久性を向上させると共に、高トルク伝達時の捩れを抑制して円滑なトルク伝達を行うことができるという効果が得られる。
また、本発明による自在継手をステアリング装置に適用すると、ステアリング装置自体の耐久性を向上させることができると共に、操舵フィーリングを向上させることができるという効果が得られる。

さらに、本発明によるコラム式電動パワーステアリング装置を備えたステアリング装置に適用すると、より大きなトルク伝達を行っても、耐久性に影響を与えることなく、捩れを抑制して操舵フィーリングを向上させることができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の自在継手を電動パワーステアリング装置に適用した場合の一実施形態を示す全体構成図、中間シャフトの拡大縦断面図、図３及び図４は自在継手のヨークを示す側面図、図５は高トルク伝達時の高応力部位を示す連結孔を模式的に示すヨークの側面図である。

図中、２は後端（図１において右端）にステアリングホイール１を装着したステアリングシャフトであって、このステアリングシャフト２がステアリングコラム３に回転自在に保持されている。ステアリングシャフト２の前端（図１において左端）には、ステアリングシャフト２に操舵補助トルクを付与するウォーム減速機１１と、このウォーム減速機１１に操舵補助トルクを発生する電動モータ１２とで構成される操舵補助機構４が連結されている。

ウォーム減速機１１の出力軸１４には、自在継手１７Ａを介して中間シャフト１８が連結され、この中間シャフト１８が自在継手１７Ｂを介してラックピニオン式のステアリングギヤ機構６のピニオン軸１９に連結されている。
ステアリングギヤ機構６のラック軸（図示せず）は、タイロッド５を介して図示しない転舵輪に連結されている。

ここで、ステアリングシャフト２は、アウターシャフト７とインナーシャフト８とを有し、アウターシャフト７の前端部とインナーシャフト８の後端部とをスプライン結合させると共に、合成樹脂を介して結合されている。したがって、アウターシャフト７とインナーシャフト８とは、衝突時に上記合成樹脂を破断させて、全長を縮めることができる。
また、ステアリングシャフト２を挿通した筒状のステアリングコラム３は、アウターコラム９とインナーコラム１０とをテレスコープ状に組み合わせてなり、軸方向きの衝撃が加わった場合に、この衝撃によるエネルギを吸収しつつ全長が縮まる所謂コラプシブル構造としている。

そして、インナーコラム１０の前端部を、ウォーム減速機１１のハウジング１１ａの後端面に固定し、インナーシャフト８をウォーム減速機１１のハウジング１１ａ内に挿通して、このインナーシャフト８の前端部をウォーム減速機１１のハウジング１１ａの前端面から軸１４として突出させている。
そして、ステアリングコラム３のアウターコラム９がアッパブラケット１５Ｕによって車体側部材１６にチルト及びテレスコ位置調整可能に支持されていると共に、操舵補助機構４におけるウォーム減速機１１のハウジング１１ａが車体側部材１６に取付けられたロアブラケット１５Ｌに回動自在に支持されたピボットピン１５ｐを中心として上下方向に揺動可能に支持されている。

中間シャフト１８は、その縦断面図を表す図２に示すように、自在継手１７Ａに連結された雄軸２１と、この雄軸２１の外周側にセレーション結合され且つ自在継手１７Ｂに連接された雌軸２２とを備えている。
ここで、自在継手１７Ａは、図２に示すように、一対のヨーク２３及び２４と、これら一対のヨーク２３及び２４を連結する十字軸２５とで構成されている。ヨーク２３は、一対のアーム部２３ａ及び２３ｂと、これらアーム部２３ａ及び２３ｂの基部間を連結する連結部２３ｃとでＵ字状に形成されている。そして、連結部２３ｃには、ヨーク２３の側面図を表す図３に示すように、中心位置に連結孔２３ｄが貫通形成されている。この連結孔２３ｄの内周面には、一対のアーム部２３ａ及び２３ｂの中央部間を前記連結孔２３ｄの中心を通って結ぶ第１の線をＹ軸とし、この第１の線と直交し、連結孔２３ｄの中心を通る第２の線をＸ軸とするＸＹ座標系で、第１〜第４象限におけるＸＹ座標軸に対して４５度ずれた仮想線Ｌ１〜Ｌ４の近傍例えば仮想線Ｌ１〜Ｌ４を挟んで反時計方向及び時計方向に±１５°の範囲即ちＸ軸を０°とすると、第１象限では３０°〜６０°の範囲、第２象限では１２０°〜１５０°の範囲、第３象限では２１０°〜２４０°の範囲及び第４上限では３００°〜３３０°の範囲に設定される高応力領域Ａ１〜Ａ４を除く領域にセレーション穴部ＳＨ１〜ＳＨ４を形成し、高応力領域Ａ１〜Ａ４には形状変化率が応力集中を抑制する小さい値となるように例えば連結孔２３ｄの中心点を中心とする円筒内面ＣＩ１〜ＣＩ４が形成されている。

この連結孔２３ｄに、後述する雄軸２１の連結孔２３ｄのセレーション穴部ＳＨ１〜ＳＨ４に噛合するセレーション軸部ＳＳ１〜ＳＳ４と、円筒内周面ＣＩ１〜ＣＩ４に係合する円筒外周面ＣＯ１〜ＣＯ４とを有する連結軸部２１ｃが連結されている。そして、連結部２３ｃと連結軸部２１ｃとが、例えば溶接、加締め等の固着手段によって一体に連結されている。

また、他方のヨーク２４も、ヨーク２３と同様に一対のアーム部２４ａ及び２４ｂとこれらアーム部２４ａ及び２４ｂの基部間を連結する連結部２４ｃとでＵ字状に形成され、連結部２４ｃにウォーム減速機１１の出力軸１４がボルト２７によって抱き締めされている。
さらに、十字軸２５は、図２に示すように、胴部２５ａと、この胴部に十字状に夫々形成した４個の軸部２５ｂとで構成されている。各軸部２５ｂはその先端部に中心軸位置にスパイダーピン２５ｃが埋設されていると共に、外周面にニードルベアリング２５ｄが配設され、スパイダーピン２５ｃ及びニードルベアリング２５ｄを覆うようにベアリングカップ２５ｅが配設されている。そして、十字軸２５の各軸部２５ｂが、ヨーク２３及び２４のアーム部２３ａ，２３ｂ及び２４ａ，２４ｂに形成されたベアリングカップ挿通孔２６に挿通されている。

一方、自在継手１７Ｂも、自在継手１７Ａと同様の構成を有し、中間シャフト１８の雌軸２２に連結されたヨーク２３とステアリングギヤ機構６のピニオン軸１９に連結されたヨーク２４と、これらヨーク２３及び２４を連結する十字軸２５とを備えている。
さらに、雄軸２１は、図２に示すように、小径の中央軸部２１ａとその左端に形成された中央軸部２１ａより大径に形成されたセレーション軸部２１ｂ及び右端に形成された連結軸部２１ｃとを有する。セレーション軸部２１ｂは軸方向長さが比較的長めに形成され、連結軸部２１ｃは軸方向長さが比較的短めに形成されている。そして、連結軸部２１ｃには前述したように図３に示すセレーション軸部ＳＳ１〜ＳＳ４及び円筒外周面ＣＯ１〜ＣＯ４が形成されている。

また、雌軸２２は、円筒状に形成され、その内周面に全長に亘ってセレーション穴部２２ａが形成され、図２の左端外周面に、図４に示すように、自在継手１７Ｂのヨーク２３の連結孔２３ｄに形成されたセレーション穴部ＳＨ１〜ＳＨ４に噛合するセレーション軸部ＳＳ１〜ＳＳ４と、形状変化率が小さい円筒内周面ＣＩ１〜ＣＩ４に係合する円筒外周面ＣＯ１〜ＣＯ４とを有する連結軸部２２ｂが形成されている。そして、連結軸部２２ｂのセレーション軸部ＳＳ１〜ＳＳ４を自在継手１７Ｂのヨーク２３の連結孔２３ｄにおけるセレーション穴部ＳＨ１〜ＳＨ４に噛合させ、且つ連結軸部２２ｂの円筒外周面ＣＯ１〜ＣＯ４を連結孔２３ｄの円筒内周面ＣＩ１〜ＣＩ４に係合させた状態で、連結軸部２２ｂと連結部２３ｃとが図２に示すように例えば溶接、加締め等の固着手段で連結されている。

次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
今、運転者がステアリングホイール１を操舵すると、ステアリングホイール１に伝達された操舵トルクを図示しない操舵トルクセンサで検出すると共に、車速を図示しない車速センサで検出し、操舵トルクと車速とに基づいて図示しない操舵補助制御装置で、操舵状態での最適な操舵補助力を発生するように電動モータ１２を駆動制御する。

このため、電動モータ１２で発生された操舵補助力がウォーム減速機１１を介してステアリングシャフト２に伝達される。このように操舵補助力がステアリングシャフト２に伝達されることにより、ウォーム減速機１１の出力軸１４から大きな操舵トルクが出力され、これが自在継手１７Ａ、中間シャフト１８、自在継手１７Ｂを介してステアリングギヤ機構６のピニオン軸１９に伝達される。ステアリングギヤ機構６では、ピニオン軸１９に伝達された回転運動を、ステアリングギヤを構成するピニオン及びこれに噛合するラックによって車幅方向の直線運動に変換し、タイロッド５を介して図示しない転舵輪に伝達してこの転舵輪を転舵させる。

このとき、操舵補助機構４の電動モータ１２でステアリングホイール１に伝達された操舵トルクに応じた最適な操舵補助力を発生させるので、ステアリングホイール１を軽く操舵することができる。
このように、操舵補助機構４がステアリングコラム３の出力側に設けられているので、ウォーム減速機１１の出力軸１４には大きな操舵トルクが作用することになり、この大きな操舵トルクが自在継手１７Ａ及び１７Ｂと中間シャフト１８とを介してステアリングギヤ機構６に伝達される。

このため、前述したように、中間シャフト１８の両端に連結された自在継手１７Ａ及び１７Ｂのヨーク２３におけるアーム部２３ａ及び２３ｂに捩じれ力が作用することになる。これにより、例えばステアリングホイール１を右切りしたときに、ヨーク２３の連接部２３ｃの連結孔２３ｄが、連結孔２３ｄを模式的に表す図５に示すように、矢印Ｚ方向のトルクによって、ＸＹ座標系における仮想線Ｌ１及びＬ３を長軸とし、仮想線Ｌ２及びＬ４を短軸とする楕円状に変形し、これによって連結孔２３ｄの仮想線Ｌ２及びＬ４位置が高応力部ＨＳとなる。このとき、図３に示すように、高応力部ＨＳに相当する連結孔２３ｄの仮想線Ｌ２及びＬ４を含む高応力領域Ａ２及びＡ４には形状変化率の大きいセレーション穴部ＳＨ１〜ＳＨ４が欠歯されて、形状変化率の小さい連結孔２３ｄの中心点を中心とする円筒内周面ＣＩ２及びＣＩ４とされているので、これら円筒内周面ＣＩ２及びＣＩ４に応力が集中することを確実に抑制することができ、耐久性を向上させることができると共に、ヨーク２３とこれに連結された中間シャフト１８の雄軸２１との間に捩じれによる位相ずれが生じることを防止して、操舵フィーリングの変化を防止することができる。

なお、上記第１の実施形態においては、高応力領域Ａ１〜Ａ４でセレーション穴部を欠歯して応力集中を抑制する形状変化率が小さい円弧面とした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、円弧面に代えて仮想線Ｌ１〜Ｌ４と直交する直線状としたり、形状変化率が小さい状態でうねる曲線状としたりすることもできる。
また、上記第１の実施形態においては、高応力領域Ａ１〜Ａ４として、仮想線Ｌ１〜Ｌ４を挟む±１５°の範囲に設定した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、仮想線Ｌ１〜Ｌ４の近傍の特に応力集中が大きくなる領域のみを欠歯状態として形状変化率の小さい内周面を形成するようにしてもよく、逆に高応力領域Ａ１〜Ａ４を、仮想線Ｌ１〜Ｌ４を挟む±１５°の範囲より大きく設定するようにしてもよく、セレーション穴部ＳＨ１〜ＳＨ４とセレーション軸部ＳＳ１〜ＳＳ４とのセレーション結合で最大操舵トルクを伝達可能な程度までセレーション穴部ＳＨ１〜ＳＨ４の形成領域を狭めることができる。

さらに、上記第１の実施形態においては、連結孔２３ｄにセレーション穴部ＳＨ１〜ＳＨ４を形成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、セレーション穴部ＳＨ１〜ＳＨ４に代えてスプライン穴部を形成するようにしてもよく、この場合には雄軸２１及び雌軸２２にセレーション軸部ＳＳ１〜ＳＳ４に代えてスプライン軸部を形成するようにすればよいものである。

次に、本発明の第２の実施形態を図６について説明する。
この第２の実施形態では、高応力領域の厚みを薄くして捩れ易くすることにより、高応力領域での応力集中を抑制するようにしたものである。
すなわら、第２の実施形態では、自在継手１７Ａ（又は１７Ｂ）のヨーク２３は、その縦断面図及びその矢印Ｈ方向から見た矢視図である図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、連結部２３ｃの連結孔２４ｄの全内周に亘ってセレーション孔部ＳＨ０を形成すると共に、連結孔２４ｄのアーム部２３ａ及び２３ｂ側端面に連結孔２３ｄの内径より大きな内径の座繰り孔３０が形成されていることを除いては前述した第１の実施形態と同様の構成を有する。

この第２の実施形態によると、ヨーク２３の連結部２３ｃにおける連結孔２３ｄの内周面に全周に亘ってセレーション孔部ＳＨ０が形成されていると共に、連結孔２３ｄのアーム部２３ａ及び２３ｂ側端面に連結孔２３ｄの内径より大きな内径の座繰り孔３０が形成されているので、連結部２３ｃにおける連結孔２３ｄの周囲の厚みが座繰り孔３０の深さ分減少するので、連結孔２３ｄの周囲が変形しやすくなり、ヨーク２３のアーム部２３ａ及び２３ｂに操舵トルクによる捩れ力が作用したときに、連結孔２３ｄの周囲が容易に変形してステアリングホイール１を右切りしたときの仮想線Ｌ２及びＬ４近傍の高応力領域Ａ２及びＡ４、ステアリングホイール１を左切りしたときの仮想線Ｌ１及びＬ３近傍の高応力領域Ａ１及びＡ３で応力集中が発生することを抑制することができる。

このため、耐久性を向上させることができると共に、ヨーク２３とこれに連結された中間シャフト１８の雄軸２１との間に捩じれによる位相ずれが生じることを防止して、操舵フィーリングの変化を防止することができる。
なお、上記第２の実施形態においては連結孔２３ｄの内周面に全周に亘ってセレーション穴部ＳＨ０を形成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、セレーション穴部ＳＨ０に代えてスプライン穴部を形成するようにしてもよい。

また、上記第２の実施形態においては、連結孔２３ｄの内周面の全周に亘ってセレーション孔部ＳＨ０を形成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、前述した第１の実施形態と同様に高応力領域Ａ１〜Ａ４を欠歯状態として形状変形率を小さくして応力集中をさらに抑制するようにしてもよい。
次に、本発明の第３の実施形態をヨークの側面図を表す図７について説明する。

この第３の実施形態では、ヨーク２３における連結部２３ｃに形成した連結孔２３ｄを二面幅形状とし、その所定距離だけ離れて平行な直線状内周面ＬＩ１及びＬＩ２とこれら内周面ＬＩ１及びＬＩ２の端部間を結ぶ円弧状内周面ＣＩ１及びＣＩ２との連結位置で形状変化率が大きい境界部ＢＰ１〜ＢＰ４が前述した第１の実施形態における高応力領域Ａ１〜Ａ４から外れた領域となるように設定され、雄軸２１の連結軸部２１ｃ又は雌軸２２の連結軸部２２ｂが連結孔２３ｄに挿通可能な二面幅形状とされていることを除いては、前述した第１の実施形態と同様の構成を有する。

この第３の実施形態によると、自在継手１７Ａ及び１７Ｂを構成するヨーク２３の連結孔２３ｄが二面幅形状に形成され、この連結孔２３ｄに雄軸２１の連結軸部２１ｃ又は雌軸の連結軸部２２ｂが挿通されているので、雄軸２１又は雌軸２２とヨーク２３との間の操舵トルクの伝達を確実に行うことができる。
また、二面幅形状の連結孔２３ｄにおける形状変化率の大きな直線状内周面ＬＩ１及びＬＩ２と円弧状内周面ＣＩ１及びＣＩ２との境界部ＢＰ１〜ＢＰ４が高応力領域Ａ１〜Ａ４から外れた位置に形成されているので、この境界部ＢＰ１〜ＢＰ４に応力が集中することを確実に防止することができ、耐久性を向上させることができると共に、ヨーク２３とこれに連結された中間シャフト１８の雄軸２１との間に捩じれによる位相ずれが生じることを防止して、操舵フィーリングの変化を防止することができる。

なお、上記第３の実施形態においては、ヨーク２３の連結部２３ｃにおける連結孔２３ｄが二面幅形状である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図示しないが直線部ＬＩ１及びＬＩ２を円弧状に形成した小判形状としたり、ヨークの側面図を表す図８に示すように長方形状としたり、同様にヨークの側面図を表す図９に示すように正８角形状としたりすることができ、何れの形状でも、形状変化率が大きくなる直線部同士の境界部ＢＰ１〜ＢＰ４が高応力領域Ａ１〜Ａ４を外れるように設定することにより、高応力領域Ａ１〜Ａ４で応力集中が発生することを抑制して、耐久性を向上させることができると共に、ヨーク２３とこれに連結された中間シャフト１８の雄軸２１又は雌軸２２との間に捩じれによる位相ずれが生じることを防止して、操舵フィーリングの変化を防止することができる。

次に、本発明の第４の実施形態を図１０〜図１３について説明する。ここで、図１０はヨークを示す図であって、（ａ）及び（ｂ）は熱間鍛造後のヨークを示す上半部を断面とした正面図及び側面図、（ｃ）はアーム部を切削した後の組立状態を示す側面図、図１１は下側のアーム部を断面としたヨークの。拡大側面図、図１２は従来例のヨークを示す図であって、（ａ）及び（ｂ）は熱間鍛造後のヨークを示す上半部を断面とした正面図及び側面図、（ｃ）はアーム部を切削した後の組立状態を示す側面図、図１３は従来例の問題点の説明に供する下側のアーム部を断面とした側面図である。

この第４の実施形態では、自在継手１７Ａ及び１７Ｂのヨークにおけるベアリングカップ挿通孔の補強を行うようにしたものである。
すなわち、第４の実施形態では、自在継手１７Ａ及び１７Ｂのヨーク２４を熱間鍛造による成形する際に、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、図１１に示すヨーク２４のアーム部２４ａ及び２４ｂの先端側に形成した十字軸２５のベアリングカップ２５ｅを挿通するベアリングカップ挿通孔２６の機械的強度を補強するために、熱間鍛造の終了時に両アーム部２４ａ及び２４ｂにおけるベアリングカップ挿通孔２６の周囲の肉厚を厚めに形成する。

ここでは、図１１に示すように、熱間鍛造の抜き勾配を考慮して、アーム部２４ａ及び２３ｂの対向面を、連結孔２５ｄの中心点Ｏから十字軸２５のシールリング２５ｆの外端部までの寸法Ａに、シールリング２５ｆとアーム部２４ａ及び２４ｂの内側面との接触を回避してシール性を確保するために必要な寸法Ｂを加算した寸法Ｃを維持する平坦面に形成するために、熱間鍛造での抜き勾配（５°程度）を形成したときのアーム部２４ａ及び２４ｂの幅方向の両端位置から連結孔２５ｄの中心点Ｏまでの寸法が前述した寸法Ｃとなるようにアーム部２４ａ及び２４ｂの厚みを厚めに熱間鍛造する（図１０（ａ），（ｂ）参照）。

その後、図１０（ｃ）に示すように、アーム部２４ａ及び２４ｂの外側端面及び内側端面を夫々抜き勾配が形成されている部分を切除する切削を行って平坦面に仕上げる。
この切削加工によって、アーム部２４ａ及び２４ｂの厚みは、全域で最大限の厚みを確保することができ、アーム部２４ａ及び２４ｂのベアリングカップ挿通孔２６の周囲における機械的強度を確保することができる。

因みに、従来は、図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、アーム部２４ａ及び２４ｂの外側端面については切削加工して抜き勾配部分を切除するが、内側端面については切削加工を施すことなく熱間鍛造成形のままの状態を維持するようにしていたため、図１３に示すように、抜き勾配（５°程度）の頂点位置と連結孔２４ｄの中心点までの寸法が前記寸法Ｃとなるように設定しており、抜き勾配によってアーム部２４ａ及び２４ｂの内側端面が抜き勾配の頂点位置から幅方向両側に行くに従い厚みが薄くなり、アーム部２４ａ及び２４ｂの左右両端部の最小厚みＤが薄くなって、ベアリングカップ挿通孔２６の周囲の機械的強度が低下してしまうという未解決の課題がある。

しかしながら、上述した第４の実施形態では、抜き勾配を切除した切削加工後の平坦面と連結孔２４ｄの中心点との寸法が寸法Ｃに設定されているので、ベアリングカップ挿通孔２６の周囲の厚みを図１１においてハッチング領域で示すように従来例に比較して厚くすることができ、ベアリングカップ挿通孔２６の周囲での機械的強度を十分に確保することができる。

なお、上記第４の実施形態においては、熱間鍛造時に約５°の抜き勾配を形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、前述した図１０と同様の図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように、アーム部２４ａ及び２４ｂの内周面及び外周面を抜き勾配に代えて比較的曲率の大きい円筒面２４ｆ，２４ｇとすることもできる。この場合には、アーム部２４ａ及び２４ｂの外形寸法に規制がない場合には、アーム部２４ａ及び２４ｂの外側端面への切削を行わず、ベアリングカップ挿通孔２６の外側端面位置に座繰り孔４０を形成して、両座繰り孔４０の底部間の寸法Ｅ（図１４（ｂ）参照）が、アーム部先端の拡大図を表す図１５に示すようにベアリングカップ２５ｅを加締部２４ｈによって加締める際に、必要な十字軸２５のベアリングカップ２５ｅの端面間寸法Ｆ（図１４（ｃ）参照）より長い寸法に設定されている。このように、アーム部２４ａ及び２４ｂの外側端面を円筒面２４ｇとして残すことにより、アーム部２４ａ及び２４ｂの厚みを円筒面２４ｇの盛り上がり分だけ増加させることができ、アーム部２４ａ及び２４ｂの機械的強度を向上させることができる。

なお、上記第１〜第４の実施形態においては、本発明による自在継手１７Ａ及び１７Ｂを電動パワーステアリング装置に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ステアリング装置の全体構成を表す図１６に示すように、操舵補助機構４を省略してステアリングシャフト２を直接自在継手１７Ａに連結するようにした通常のステアリング装置にも本発明を適用することができ、その他自在継手を組込んだ任意の動力伝達装置に本発明の自在継手１７Ａ及び１７Ｂを適用することができる。

本発明を電動パワーステアリング装置に適用した場合の全体構成図である。 本発明を適用した中間シャフトを示す縦断面図である。 図２の一方の自在継手のヨークを示す側面図である。 図２の他方の自在継手のヨークを示す側面図である。 高トルク作用時の応力発生状態を示す連結孔を模式的に示すヨークの側面図である。 本発明の第２の実施形態を示す自在継手のヨークを示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の第３の実施形態を示す自在継手のヨークを示す側面図である。 本発明の第３の実施形態を示す自在継手のヨークの変形例を示す側面図である。 本発明の第３の実施形態を示す自在継手のヨークのさらに他の変形例を示す側面図である。 本発明の第４の実施形態を示すヨークを示す図であって、（ａ）及び（ｂ）は熱間鍛造後のヨークを示す上半部を断面とした正面図及び側面図、（ｃ）はアーム部を切削した後の組立状態を示す側面図である。 第４の実施形態における効果の説明に供する下側のアーム部を断面としたヨークの側面図である。 従来例のヨークを示す図であって、（ａ）及び（ｂ）は熱間鍛造後のヨークを示す上半部を断面とした正面図及び側面図、（ｃ）はアーム部を切削した後の組立状態を示す側面図である。 従来例の問題点の説明に供する下側のアーム部を断面としたヨークの側面図である。 本発明の第４の実施形態の変形例を示す図であって、（ａ）及び（ｂ）は熱間鍛造後のヨークを示す上半部を断面とした正面図及び側面図、（ｃ）はアーム部を切削した後の組立状態を示す側面図である。 図１４の十字軸の加締め状態を示すヨークの要部の底面図である。 本発明を適用し得る通常のステアリング装置を示す全体構成図である。 ヨークの高トルク伝達時の捩れ状態を示す斜視図である。 ヨークの高トルク伝達時の捩れ状態を示す側面図である。 高トルク作用時の応力発生状態を示すヨークの側面図である。

符号の説明

１…ステアリングホイール、２…ステアリングシャフト、３…ステアリングコラム、４…操舵補助機構、６…ステアリングギヤ機構、１７Ａ，１７Ｂ…自在継手、１８…中間シャフト、２１…雄軸、２１ｃ…連結軸部、２２…雌軸、２２ｂ…連結軸部、２３…ヨーク、２３ａ，２３ｂ…アーム部、２３ｃ…連結部、２３ｄ…連結孔、２４…ヨーク、２４ａ，２４ｂ…アーム部、２４ｃ…連結部、２４ｅ…ベアリングカップ挿通孔、２５…十字軸、２５ａ…ニードルベアリング、２５ｂ…ベアリングカップ、３０…座繰り孔、Ａ１〜Ａ４…高応力領域、Ｌ１〜Ｌ４…仮想線、ＳＨ１〜ＳＨ４…セレーション穴部、ＣＩ１〜ＣＩ４…円弧状内周面、ＳＳ１〜ＳＳ４…セレーション軸部、ＣＯ１〜ＣＯ４…円弧状外周面

Claims (6)

1. 一対のアーム部とこれらアーム部を連結する連結部とでＵ字状に形成されてシャフトに連結された一対のヨークと、該一対のヨークを連結する十字軸とで構成される自在継手であって、
   少なくとも一方のヨークにおける連結部に形成された前記シャフトとの連結孔の形状を、前記一対のアーム部の中央部間を前記連結孔の中心を通って結ぶ第１の線と前記連結孔の中心を通って前記第１の線と直交する第２の線とを座標軸とする座標系で、前記両座標軸に対して４５度ずれた仮想線近傍の高応力領域で、応力集中を抑制する形状変化率に設定され、
   前記連結孔はセレーション孔及びスプライン孔の何れか一方であり、前記高応力領域で当該セレーション孔及びスプライン孔の何れか一方が欠歯されて形状変化率が小さい値に設定されていることを特徴とする自在継手。
2. 応力集中を抑制する形状変化率を有する形状は、直線形状及び曲率半径の大きい円弧形状の何れか一方であることを特徴とする請求項１に記載の自在継手。
3. 前記仮想線近傍の領域は、前記座標系における第１の線及び第２の線で区切られる４象限の各領域において、当該仮想線を挟む±１５度の範囲内であることを特徴とする請求項１又は２に記載の自在継手。
4. 前記セレーション孔及びスプライン孔の一対のアーム側の端面に座繰りが形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の自在継手。
5. 前記請求項１乃至４の何れか１つに記載の自在継手を使用したことを特徴とするステアリング装置。
6. 前記請求項１乃至４の何れか１つに記載の自在継手を、ステアリングコラムに設けた操舵系に操舵補助力を発生する操舵補助機構の出力軸とステアリングギヤ機構との間に介装したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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