(57)【要約】【課題】基部１３ａの先端部に存在する連続筒部１６ａの内周面と先端面との連続部の疲労強度の向上を図れる構造を実現する。【解決手段】前記連続部に、高周波焼入れ・焼戻し処理を施して成る、Ｈｖ２００以上の硬さを有する硬化層２３を、全周に亙り設ける。又、この硬化層２３のうちで、前記連続筒部１６ａの内周面に露出した部分の軸方向寸法Ｌを２ｍｍ以上（Ｌ≧２ｍｍ）とすると共に、前記連続筒部１６ａの先端面に露出した部分の外径寸法Ｄと内径寸法ｄとの差Ｄ−ｄを２ｍｍ以上（Ｄ−ｄ≧２ｍｍ）とする。【選択図】図１
2014118980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
径方向中心部に円形の内側孔を有する基部と、この基部の軸方向先端縁のうちで直径方向反対側となる２箇所位置から軸方向に延出した１対の腕部と、これら両腕部の先端部に互いに同心に形成された１対の円孔とを備えると共に、前記基部のうちの少なくとも軸方向先端部を、全周に亙り切れ目がなくつながった連続筒部としている、炭素鋼製の十字軸式自在継手用ヨークに於いて、
前記連続筒部の内周面と軸方向先端面との連続部に、高周波焼入れ・焼戻し処理を施して成る硬化層が、全周に亙り設けられており、
この硬化層は、その硬さがＨｖ２００以上である、焼戻しマルテンサイトの単層組織であって、前記連続筒部の内周面に露出した部分の軸方向寸法が２ｍｍ以上であると共に、前記連続筒部の軸方向先端面に露出した部分の外径寸法Ｄと内径寸法ｄとの差Ｄ−ｄが２ｍｍ以上である事を特徴とする
十字軸式自在継手用ヨーク。
【請求項２】
前記炭素鋼のＣの含有量が０．２２〜０．５８質量％であり、
前記硬化層以外の部分である非硬化部は、その硬さがＨｖ１２０〜２５０である、フェライトとパーライトとの２相組織であり、
前記硬化層は、その硬さが、前記非硬化部よりも硬く且つＨｖ２００以上である、
請求項１に記載した十字軸式自在継手用ヨーク。
【請求項３】
車両のステアリング装置に組み込んで使用される、請求項１〜２のうちの何れか１項に記載した十字軸式自在継手用ヨーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば自動車等の車両のステアリング装置を構成する回転軸同士を、トルク伝達可能に接続する為の十字軸式自在継手（カルダンジョイント）を構成するヨークの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のステアリング装置は、図５に示す様に構成している。運転者が操作するステアリングホイール１の動きは、円筒状のステアリングコラム２の内径側に回転自在に支持されたステアリングシャフト３と、自在継手４と、中間シャフト５と、別の自在継手６とを介して、ステアリングギヤユニット７の入力軸８に伝達される。この結果、このステアリングギヤユニット７に内蔵したラック＆ピニオン機構により、左右１対のタイロッド９、９が押し引きされる事に基づき、左右１対の操舵輪に、前記ステアリングホイール１の操作量に応じた、適切な舵角が付与される。尚、図示のステアリング装置は、前記ステアリングシャフト２の前端部に補助トルクの入力部を設けた、電動式パワーステアリング装置としている。この為に具体的には、前記ステアリングコラム２の前端部に、減速機を収納したハウジング１０を結合固定すると共に、このハウジング１０に電動モータ１１を支持固定している。操舵時には、この電動モータ１１で発生した補助トルクが、前記減速機により増大された状態で、前記ステアリングシャフト３の前端部に入力される。
【０００３】
上述の様なステアリング装置に組み込む前記各自在継手４、６として、従来から一般的に、十字軸式自在継手が使用されている。図６〜７は、この十字軸式自在継手を構成するヨークの１例として、特許文献１等に記載されて従来から知られたものを示している。この図６〜７に示したヨーク１２は、炭素鋼製の素材に鍛造加工及び切削加工を施す事により造られたもので、基部１３と、１対の腕部１４、１４とを備える。
【０００４】
このうちの基部１３は、径方向中心部に、円形の内側孔であるセレーション孔１５を有する。この基部１３の軸方向先端部は、全周に亙り切れ目がなくつながった連続筒部１６としている。又、この基部１３は、軸方向中間部及び基端部の円周方向１箇所に、軸方向に長いスリット１７を有する。このスリット１７は、前記基部１３の内径を拡縮可能とする為のもので、この基部１３の内周面と外周面と軸方向基端縁とにのみ開口する状態で設けられている。又、前記基部１３は、前記スリット１７を挟む位置に、１対のフランジ部１８、１９を有する。これら両フランジ部１８、１９の互いに整合する位置には、通孔２０とねじ孔２１とが、それぞれ前記セレーション孔１５の中心軸に対して捩れの位置の関係で形成されている。
【０００５】
又、前記両腕部１４、１４は、前記基部１３の軸方向先端縁のうちで直径方向反対側となる２箇所位置から、軸方向に延出する状態で設けられている。これら両腕部１４、１４の先端部には、互いに同心の円孔２２、２２が形成されている。前記十字軸式自在継手を組み立てた状態で、これら両円孔２２、２２内には、それぞれ有底円筒状の軸受カップが内嵌固定される。これと共に、これら両軸受カップ内に、それぞれ複数本のニードルを介して、十字軸の端部が回動自在に支持される。
【０００６】
上述の図５に示したステアリング装置を組み立てるべく、前記ステアリングシャフト３と前記中間シャフト５と前記入力軸８とのうちの何れかの回転軸の端部に、前記ヨーク１２の基部１３を、トルク伝達を可能に結合固定する場合には、先ず、この基部１３のセレーション孔１５の内側に、前記回転軸の端部を挿入する。これにより、このセレーション孔１５と、この回転軸の端部外周面に設けられた雄セレーションとを、セレーション係合させる。次いで、図示しないボルトを、前記通孔２０に挿通すると共に、前記ねじ孔２１に螺合し、更に締め付ける。これにより、前記スリット１７の幅を弾性的に狭める事に基づき、前記セレーション孔１５を弾性的に縮径させる。この結果、前記セレーション係合部の面圧が上昇し、前記基部１３が前記回転軸の端部に、トルクの伝達を可能に結合固定された状態となる。
【０００７】
上述の図５に示したステアリング装置の場合、前記ステアリングホイール１から前記ステアリングギヤユニット７の入力軸８に向かう方向である、操舵トルクの伝達方向に関して、前記各自在継手６、８は、前記補助トルクの入力部よりも下流側に組み込まれている。この為、これら各自在継手６、８の構成部品として用いられる、前記ヨーク１２は、運転者が操舵を行う度に、前記補助トルクを含んだ大きな操舵トルクが繰り返し負荷されると言った、厳しい負荷条件で使用される。従って、前記ヨーク１２には、この様な厳しい負荷条件に耐え得る様な、優れた疲労強度を備えている事が要求される。
【０００８】
一方、本発明者は、前記ヨーク１２の様に、前記基部１３の径方向中心部に存在する内側孔を円孔とし、且つ、この基部１３の少なくとも軸方向先端部を連続筒部１６とした基本構造を有するヨークの場合、大きなトルクが繰り返し負荷される使用条件では、前記連続筒部１６の内周面と軸方向先端面との連続部が、他の部位に比べて疲労し易い事、即ち、この連続部に亀裂等の損傷が発生し易い事を、実験を行う事により見出した。つまり、この連続部の疲労強度を確保する事が、特に重要である事が分かった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−２９９７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述の様な事情に鑑み、基部の径方向中心部に存在する内側孔を円孔とし、且つ、この基部の少なくとも軸方向先端部を連続筒部とした十字軸式自在継手用ヨークに関して、この連続筒部の内周面と軸方向先端面との連続部の疲労強度の向上を図れる構造を実現すべく発明したものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の十字軸式自在継手用ヨークは、炭素鋼製であり、且つ、径方向中心部に円形の内側孔を有する基部と、この基部の軸方向先端縁のうちで直径方向反対側となる２箇所位置から軸方向に延出した１対の腕部と、これら両腕部の先端部に互いに同心に形成された１対の円孔とを備えると共に、前記基部のうちの少なくとも軸方向先端部を、全周に亙り切れ目がなくつながった連続筒部としている。
特に、本発明の十字軸式自在継手用ヨークに於いては、前記連続筒部の内周面と軸方向先端面との連続部に、高周波焼入れ・焼戻し処理を施して成る硬化層が、全周に亙り設けられている。又、この硬化層は、その硬さがＨｖ２００以上である、焼戻しマルテンサイトの単層組織であって、前記連続筒部の内周面に露出した部分の軸方向寸法が２ｍｍ以上であると共に、前記連続筒部の軸方向先端面に露出した部分の外径寸法Ｄと内径寸法ｄとの差Ｄ−ｄが２ｍｍ以上である。
【００１２】
上述の様な本発明の十字軸式自在継手用ヨークを実施する場合には、例えば請求項２に記載した発明の構成を採用する。即ち、前記炭素鋼のＣの含有量を、０．２２〜０．５８質量％とする。又、前記硬化層以外の部分である非硬化部を、その硬さがＨｖ１２０〜２５０である、フェライトとパーライトとの２相組織とする。又、前記硬化層の硬さを、前記非硬化部よりも硬く、且つ、Ｈｖ２００以上とする。
【００１３】
又、上述の様な本発明の十字軸式自在継手用ヨークは、例えば請求項３に記載した発明の様に、車両のステアリング装置に組み込んで使用する。この場合に、例えば、電動式パワーステアリング装置の一部で、操舵トルクの伝達方向に関して補助トルクの入力部よりも下流側に組み込んで使用する。
【発明の効果】
【００１４】
上述の様に構成する本発明の十字軸式自在継手用ヨークによれば、連続筒部の内周面と軸方向先端面との連続部の疲労強度を、この連続部に設けた硬化層の存在に基づいて向上させる事ができる。この為、大きなトルクが繰り返し負荷される様な、厳しい負荷条件で使用する（例えば、電動式パワーステアリング装置の一部で、操舵トルクの伝達方向に関して補助トルクの入力部よりも下流側に組み込んで使用する）場合でも、前記連続部の疲労強度を十分に確保する事が可能となる。又、この連続部の疲労強度を向上させる為に、この連続部の周囲部分の肉厚を増大させる必要がなく、更には、この周囲部分の肉厚を減少させつつ、前記硬化層の存在に基づいて前記連続部の疲労強度の向上を図る事も可能である。従って、小型軽量化の要求に反する事なく、前記連続部の疲労強度の向上の要求に応えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態の１例を示す、自在継手用ヨークの三面図。
【図２】図１の（Ｂ）のα−α断面図。
【図３】図２のβ部拡大図。
【図４】本発明の効果を確認する為に行った実験で使用した試験装置を示す斜視図。
【図５】従来から知られているステアリング装置の１例を示す略側面図。
【図６】従来構造の１例を示す、自在継手用ヨークの三面図。
【図７】図６の（Ｂ）のγ−γ断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１〜３は、本発明の実施の形態の１例を示している。尚、本例のヨーク１２ａの特徴は、主として、各部位の組織を工夫した点にある。その他の部分の構造及び作用並びに使用態様は、前述の図６〜７に示した従来構造の場合と同様である。この為、同等部分には同一符号を付して、重複する説明は省略若しくは簡略にし、以下、本例の特徴部分を中心に説明する。
【００１７】
本例の場合には、前記ヨーク１２ａの一部で、基部１３ａの先端部を構成する連続筒部１６ａの内周面と軸方向先端面との連続部に、高周波焼入れ・焼戻し処理を施して成る硬化層２３（図１〜３に於いて、斜格子を付して示した部分）を、全周に亙り設けている。又、この様なヨーク１２ａのうちで、前記硬化層２３以外の部分である非硬化部２４の組織を、その硬さがＨｖ１２０〜２５０である、フェライトとパーライトとの２相組織としている。これに対し、前記硬化層２３の組織を、その硬さが、前記非硬化部２４よりも硬く、且つ、Ｈｖ２００以上である、焼戻しマルテンサイトの単層組織としている。更に、本例の場合には、前記硬化層２３のうちで、前記連続筒部１６ａの内周面に露出した部分の軸方向寸法Ｌを２ｍｍ以上（Ｌ≧２ｍｍ）にすると共に、前記連続筒部１６ａの軸方向先端面に露出した部分の外径寸法Ｄと内径寸法ｄとの差Ｄ−ｄを２ｍｍ以上（Ｄ−ｄ≧２ｍｍ）としている。尚、本例の場合、前記内径寸法ｄ（＝前記連続筒部１６ａの内径寸法）は、１５〜３０ｍｍ（ステアリング装置に組み込んで使用されるヨークの一般的なサイズ）としている。
【００１８】
この様なヨーク１２ａを造る為に、本例の場合には、その材料として、Ｃの含有量が０．２２〜０．５８質量％の範囲内にある炭素鋼を使用している。特に、本例の場合には、この様な炭素鋼として、機械構造用炭素鋼鋼材（ＪＩＳ  Ｇ  ４０５１）のうち、Ｓ２５Ｃ〜Ｓ５５Ｃの範囲内にあるものを使用している。何れにしても、本例の場合、前記ヨーク１２ａを造る際には、先ず、上述の様な炭素鋼製の素材を、オーステナイト域まで加熱してから、熱間鍛造加工により所定の形状とした後、室温まで放冷（空冷）する事に伴い、前記非硬化部２４の組織を得ている。この際に、この非硬化部２４の硬度は、前記放冷時の冷却速度を調整する事により、調整している。その後、当該所定の形状とした中間素材に切削加工等を施す事により、最終的に必要な形状を得ると共に、前記連続部に高周波焼入れ・焼戻し処理を施す事により、前記硬化層２３を形成する事に伴い、この硬化層２３の組織を得ている。
【００１９】
尚、本例の場合、前記炭素鋼のＣの含有量を０．２２〜０．５８質量％とした理由は、前記非硬化部２４及び前記硬化層２３の硬度を、それぞれ上述した様な範囲内に収め易くする事に加えて、前記ヨーク１２ａ全体の疲労強度を確保し易くする為である。
又、前記非硬化部２４の硬さをＨｖ１２０〜２５０とした理由は、この硬さがＨｖ１２０未満の場合には、この非硬化部２４（前記硬化層２３以外の部分）の強度不足を招く可能性がある為であり、同じくＨｖ２５０よりも大きくなると、前記非硬化部２４が硬くなり過ぎて、上述した切削加工等を行う際の加工性が過度に低下する可能性がある為である。
又、前記硬化層２３の硬さをＨｖ２００以上とした理由は、この硬さがＨｖ２００未満の場合には、前記連続部の疲労強度を向上させる効果を十分に発揮できない為である。
更に、前記硬化層２３の寸法を、Ｌ≧２ｍｍ、且つ、Ｄ−ｄ≧２ｍｍとした理由は、これらＬやＤ−ｄが２ｍｍ未満の場合には、前記連続部の疲労強度を向上させる効果を十分に発揮できない為である。尚、これらＬ及びＤ−ｄの上限値は、それぞれ１０ｍｍ以下（２ｍｍ≦Ｌ≦１０ｍｍ、２ｍｍ≦Ｄ−ｄ≦１０ｍｍ）とするのが好ましい。この理由は、これらＬやＤ−Ｌを１０ｍｍよりも大きくすると、上述した高周波焼入れに伴って結晶粒径が粗大となり、熱処理品質の不良を起こし易くなる為である。
【００２０】
上述の様に構成する本例の十字軸式自在継手用ヨークによれば、前記連続筒部１６ａの内周面と軸方向先端面との連続部の疲労強度を、この連続部に設けた前記硬化層２３の存在に基づいて向上させる事ができる。この為、本例のヨーク１２ａを、大きなトルクが繰り返し負荷される様な、厳しい負荷条件で使用する（例えば、電動式パワーステアリング装置の一部で、操舵トルクの伝達方向に関して補助トルクの入力部よりも下流側に組み込んで使用する）場合でも、前記連続部の疲労強度を十分に確保する事が可能となる。又、この連続部の疲労強度を向上させる為に、この連続部の周囲部分の肉厚を増大させる必要がなく、更には、この周囲部分の肉厚を減少させつつ、前記硬化層２３の存在に基づいて前記連続部の疲労強度の向上を図る事も可能である。従って、小型軽量化の要求に反する事なく、前記連続部の疲労強度の向上の要求に応えられる。
【実施例】
【００２１】
本発明の効果を確認する為に行った実験に就いて説明する。実験では、図１〜３に示した構成を有するＳ４５Ｃ製のヨークと、同じくＳ２５Ｃ製のヨークとに就いて、それぞれパラメータ（硬化層２３の有無、硬化層２３の硬さ、寸法Ｄ−ｄ、寸法Ｌ）の異なる複数の試料（実施例１〜１５、比較例１〜１０。後で示す表１〜２参照）を用意した。尚、これら各試料とも、前記硬化層２３の内径寸法ｄ（＝連続筒部１６ａの内径寸法）は２３．５ｍｍであり、この硬化層２３の硬さは、高周波焼入れの加熱速度と冷却速度とを調整する事により、調整した。又、これら各試料のうち、Ｓ４５Ｃ製のヨークに関しては、非硬化部２４の硬さをＨｖ１８０とし、Ｓ２５Ｃ製のヨークに関しては、非硬化部２４の硬さをＨｖ１５０とした。そして、これら各試料に就いて、捩り耐久試験を施した。
【００２２】
図４は、この捩り耐久試験を行う為に、前記各試料である試料ヨークＹ1を、試験装置に組み付けた状態を示している。この試験装置は、前記試料ヨークＹ1と共に自在継手を構成する、受側ヨークＹ2及び十字軸Ｊと、その先端部を前記試料ヨークＹ１の基部に結合固定した入力軸Ｓ1と、その先端部を前記受側ヨークＹ2の基部に結合固定した受側軸Ｓ2とを備える。前記捩り耐久試験は、図４に示した組み付け状態で、前記受側軸Ｓ2及び受側ヨークＹ2を固定した（非回転にした）まま、前記入力軸Ｓ1を介して前記試料ヨークＹ１に、両方向のトルクを交互に負荷する事により行った。より具体的なトルクの負荷条件を、以下に示す。
＜トルクの負荷条件＞
周波数    ：  ６Ｈｚ
振幅値    ：  １００Ｎ・ｍ
負荷回数  ：  １００万回で打ち切り
【００２３】
そして、上述の様な捩り耐久試験により、前記各試料に就いて、連続筒部１６ａの内周面と軸方向先端面との連続部（角部）に、亀裂等の損傷が発生する迄の時間（耐久時間）を測定した。この測定結果を、下記の表１〜２に示す。尚、この測定結果は、表１では比較例１（前記硬化層２３を有していない試料）の耐久時間を、表２では比較例６（前記硬化層２３を有していない試料）の耐久時間を、それぞれ１．０とした場合の比率（耐久時間比）で示している。又、表１、２中で括弧を付した数値は、本発明の技術的範囲から外れる事を表している。
【表１】
2014118980.tif 000003
【表２】
2014118980.tif 000004
【００２４】
これら表１〜２に示した測定結果から分かる様に、Ｓ４５Ｃ製のヨークでも、Ｓ２５Ｃ製のヨークでも、前記硬化層２３の硬さをＨｖ２００以上とし、寸法Ｄ−ｄを２．０ｍｍ以上とし、寸法Ｌを２．０ｍｍ以上とすれば、前記硬化層２３を有していない場合に比べて、前記連続筒部１６ａの内周面と軸方向先端面との連続部（角部）の疲労強度を表す、前記耐久時間比を十分に確保できる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の十字軸式自在継手用ヨークは、基部の軸方向先端部のみが連続筒部になった構造に限らず、基部の全体が連続筒部になった構造に適用する事もできる。
【符号の説明】
【００２６】
１  ステアリングホイール
２  ステアリングコラム
３  ステアリングシャフト
４  自在継手
５  中間シャフト
６  自在継手
７  ステアリングギヤユニット
８  入力軸
９  タイロッド
１０  ハウジング
１１  電動モータ
１２、１２ａ  ヨーク
１３、１３ａ  基部
１４  腕部
１５  セレーション孔
１６、１６ａ  連続筒部
１７  スリット
１８  フランジ部
１９  フランジ部
２０  通孔
２１  ねじ孔
２２  円孔
２３  硬化層
２４  非硬化部
【図１】
2014118980.tif 000005
【図２】
2014118980.tif 000006
【図３】
2014118980.tif 000007
【図４】
2014118980.tif 000008
【図５】
2014118980.tif 000009
【図６】
2014118980.tif 000010
【図７】
2014118980.tif 000011