(57)【要約】【課題】入力軸と出力軸とに角度が付いたユニバーサルジョイントが回転すると、交差角の大きさに応じた二次偶力と呼ばれるモーメント荷重が発生し、車体に異音や共振を発生させる原因となる。【解決手段】入力軸及び出力軸それぞれのヨークに支持されている十字軸の２方向に突出したスパイダーアームにおいて、スパイダーアームの先端に設けられた軸受の外輪となるカップの板厚または材質を異ならせることにより、軸受を含むスパイダーアームの質量に差を付ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユニバーサルジョイントの入力側及び出力側それぞれのヨークに支持されている十字軸の２方向に突出したスパイダーアームにおいて、スパイダーアームの先端に設けられた軸受のカップの質量を一方向の軸部と他方向の軸部とで異ならせたことを特徴とするユニバーサルジョイント。
【請求項２】
カップの板厚を一方向の軸受と他方向の軸受とで異ならせたことを特徴とする、請求項１に記載のユニバーサルジョイント。
【請求項３】
カップの材質を一方向の軸受と他方向の軸受とで異ならせたことを特徴とする、請求項１に記載のユニバーサルジョイント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユニバーサルジョイント、特に自動車の操舵機構に適したユニバーサルジョイントに関する。
【背景技術】
【０００２】
図２に示すユニバーサルジョイントは、カルダンジョイント、フックジョイント、あるいはクロスジョイントと呼ばれる古くから知られているカップリング装置である。このユニバーサルジョイントは、互いに傾斜している、あるいは、食い違いがある２つの軸間に動力を伝達するために使用される。例えば、乗用車では、エンジンからの出力をトランスミッションを介してデファレンシャルギアユニットへ伝達する間、あるいは、ハンドル軸から車体側ステアリング装置まで、又は、ハンドル軸からパワーステアリング装置、あるいはパワーステアリング装置から車体側ステアリング装置までのいずれかの間で回転を伝達するために使用されている。ユニバーサルジョイントは単独で使用されることもあるが、２つを対にして使用される場合が多い。
【０００３】
ユニバーサルジョイントにおいては、入力軸が１回転すると出力軸も１回転する。このため、全体としては同じ量の回転を入出力軸間に伝達することができるが、入力軸が出力軸に対して角度が付いている場合は、各１回転内において、入力軸の回転角毎に出力軸の瞬間的な角速度が異なる。この現象によって伝達されるトルク比が１回転内で変動する。この伝達トルクの変動がユニバーサルジョイントの一つの欠点となっている。
【０００４】
また、入力軸と出力軸とに角度（交差角）が付いたユニバーサルジョイントが回転すると、交差角の大きさに応じた二次偶力と呼ばれるモーメント荷重が発生し、車体に異音や共振を発生させる原因となる。
【０００５】
この問題に対しては、例えば特許文献１にはユニバーサルジョイントの内部部品である十字軸の２方向の軸の交差角を９０°以外とすることで、回転４次モーメントを低減する方法が記載されている。また、特許文献２には十字軸の２方向のスパイダーアームの質量を異ならせる、具体的にはスパイダーアームの先端の軸部の外径を変更したり、軸部の内部に空洞を設けることで２次偶力を打ち消す発明が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１７０６４９号公報
【特許文献２】特開平１０−２９２８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、十字軸の２方向のスパイダーアームの交差角を９０°以外とすると、十字軸の加工が困難になり、コストが上昇する。また十字軸の軸部の外径を異ならせたり、内部に空洞を設ける方法もやはり加工コストの上昇を招く。本発明は、コストの上昇を防ぎつつ、二次偶力を効果的に低減する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るユニバーサルジョイントは、入力軸及び出力軸それぞれのヨークに支持されている十字軸の２方向に突出したスパイダーアームにおいて、スパイダーアームの先端に設けられた軸受の外輪となるカップの質量を一方向の軸部と他方向の軸部とで異ならせたことを特徴としている。具体的にはカップの素材として異なる板厚の材料を用いる方法と、異なる材質を用いる方法がある。
【発明の効果】
【０００９】
十字軸の２方向の軸部の質量を異ならせることにより、入力軸の回転数の２倍の頻度でユニバーサルジョイントにラジアル方向およびスラスト方向の起振力を積極的に発生させ、入力軸と出力軸に角度が付くことで発生する二次偶力を低減させることができる。また、本発明を用いればカップの板厚や材質を変えるだけで二次偶力の低減を実現できるので従来の方法と比較してコストの上昇が抑えられ、加工工程も変更する必要が無いなどのメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係るユニバーサルジョイントの断面図である。
【図２】ユニバーサルジョイントの概要を説明するための模式図である。
【図３】ユニバーサルジョイントの入出力軸が回転したときの様子を示す拡大図である。
【図４】ユニバーサルジョイントの入出力軸が回転したときの様子を示す拡大図である。
【図５】入力軸の回転角に関して、角速度比ｒωの変化を示すグラフである。
【図６】回転する入力軸に固定されたカメラで十字軸を見たとしたとき、十字軸が姿勢を変化させる様子（揺動）を示した図である。
【図７】一般的な自動車用操舵装置の全体図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明のユニバーサルジョイントについて図面を参照しながら詳細に説明する。
図７は、本発明が適用可能な自動車の操舵機構全体を示す説明図である。この図には、ハンドルから車体側操舵機構までが示されている。車体本体９１には、ステアリングコラム５２が調整レバー５２２によってその傾斜が調整可能に固定されている。ステアリングコラム５２は内部を貫通するホィールシャフト５２１が回転自在に支持されており、ハンドル５１は、ホィールシャフト５２１の上端に固定される。他端、すなわちステアリングコラム５２の下端側には、２組のユニバーサルジョイント１０が備えられている。
【００１２】
上側のユニバーサルジョイント１０の入力軸１は、ホィールシャフト５２１の下端に結合されており、その出力軸２は中間軸６１となっている。中間軸６１の下方は、もう一つのユニバーサルジョイント１０の入力軸１となっており、このユニバーサルジョイント１０の出力軸２はピニオン軸６２に結合されている。ピニオン軸６２にはピニオンが固定されており、車体側操舵機構のラックシャフトを駆動するようになっている。尚、電動パワーステアリング装置とするため、ステアリングコラム５２に電動アシストモータを備えるようにすることも可能である。
【００１３】
ホィールシャフト５２１の中心線と中間軸６１の中心線、及び、中間軸６１の中心線とピニオン軸６２の中心線は、それぞれの交差角φ１、φ２（ただし、通常、φ１≒φ２）をなして交差している。以下、本発明を理解する上では、一方のユニバーサルジョイントについて説明すれば充分であるため、特にそれと異なる主旨の記載がなければ、他方についてはこれを援用することとし、説明は一方についてのみ行うこととする。
【００１４】
ユニバーサルジョイント１０は、図２に示すように、出力軸２側のヨーク１５１と中間シャフト１６側のヨーク１５２が、ジョイント角φで交差している。運転者がハンドル５１を操作するとホイールシャフト５２１が先端のユニバーサルジョイントに回転トルクを伝達する。この回転トルクによって、ユニバーサルジョイント１０には二次偶力Ｍ１が発生し、入力軸１及び出力軸２には、大きなモーメント荷重が作用する。この二次偶力Ｍ１は、Ｍ１＝Ｔｔａｎφ・ｓｉｎθで表される。ここで、Ｔが入力軸１の回転トルク、φが入力軸１と出力軸２の交差角、θが入力軸１のヨーク１１の回転角である。
【００１５】
二次偶力Ｍ１は、ユニバーサルジョイント１０の十字軸３の中心を通る回転力となるため、十字軸３を中心として操舵機構全体を屈曲させ、車体に異音や共振を発生させる原因となる。
【００１６】
図３及び図４は、ユニバーサルジョイント１０の入出力軸が回転したときの様子を示す拡大図である。なお、部材で共通するものは図２、図７で用いた符号を使用する。今、図３の状態で入力軸１が９０°回転すると、十字軸３も回転し、十字軸３は出力軸２に拘束されているので傾きも変化し、図４の状態に移る。更に回転を続けると９０°毎に図３の状態を経て図４の状態になる。つまり、入力軸１が半回転する毎に同じ状態を繰り返す。このとき、入力軸１が等速で回転しても出力軸２の回転速度（角速度）は等速とならない。
【００１７】
入力軸１と出力軸２が交差する角（交差角）をφとすると、入力軸１が角速度ωｉで回転するとき、出力軸２の角速度ωｏとの間には、次のような角速度比ｒωの関係がある。
ｒω＝ωｏ／ωｉ＝ｃｏｓφ／（１−ｓｉｎ２θ・ｓｉｎ２φ）・・・（１）
図５は、入力軸１の回転角θに関して、角速度比ｒωの変化をグラフで示したものである。なお、図５上部はユニバーサルジョイント１０の姿勢が示されている。
【００１８】
図５に示すように入力軸１の回転角θが９０°と２７０°の時に出力軸２の角速度比ｒωが最も大きくなる。同時に入力軸１がこの回転角の時に二次偶力Ｍ１は最大となる。図４に示すように、入力軸１が矢印Ｂから見て反時計周りに回転すると、Ｍ１は十字軸３を中心として発生し、矢印Ａから見て出力軸２を反時計周り回転させようとする。
【００１９】
図６は、回転する入力軸１にカメラを固定したと仮定し、このカメラで十字軸３を見たとしたとき、十字軸３が姿勢を変化させる様子（揺動）を示した図である。図６に示されるように、十字軸３の一方のスパイダーアーム３１１は、軸受４１１によって入力軸１側のヨークアーム１１１に軸受されているため、出力軸２側のヨークアーム２１１に軸受されている他方のスパイダーアーム３２１は、入力軸１の１回転毎に左右に公差角φの振幅で揺動し、入出力軸一回転につき２回中立位置（図６で垂直方向）を通ることがわかる。
【００２０】
図６の方向から見た十字軸３の揺動角速度ｄφ／ｄｔは出力軸２の回転角速度ωｏと交差角φより
ｄφ／ｄｔ＝ｄ｛φ×ｃｏｓ（ωｏ×ｔ）｝／ｄｔ・・・（２）
となる。ただしωｏ＝ｃｏｓφ／（１−ｓｉｎ２θ・ｓｉｎ２φ）×ωｉであり、ｔは時間である。（２）式の両辺を微分すると十字軸の揺動角加速度αｏが以下のように求まる。
αｏ＝ｄ２φ／ｄｔ２・・・（３）
十字軸３の軸部及び軸受を含むスパイダーアーム３１１の質量をｍとすると、十字軸３の揺動による励振力Ｆは
Ｆ＝ｍ×αｏ・・・（４）
となるため、十字軸３の揺動に伴って発生する揺動モーメントＭ２は
Ｍ２＝Ｆ×Ｌ・・・（５）
となる。ここでＬは十字軸３の回転中心からスパイダーアーム３１１の重心までの距離である。本発明においては、この揺動モーメントＭ２と二次偶力Ｍ１が打ち消しあうように、十字軸３のスパイダーアーム３１１の質量を決定する。すなわちＭ１＋Ｍ２が０または最小になるよう、ｍを決定する。
【００２１】
具体的には十字軸３の１方向のスパイダーアーム３１１先端に設けられた転がり軸受の外輪となっているカップ７４の材質または板厚を他方向のスパイダーアーム３２１のカップ７５と異ならせることで、他方向のスパイダーアーム３２１に対して質量に差を付ける（図１参照）。本発明を用いればカップ７４の板厚や材質を変えるだけで二次偶力Ｍ１の低減を実現できるので従来の方法と比較してコストの上昇が抑えられ、加工工程も変更する必要が無いなどのメリットがある。
【符号の説明】
【００２２】
１  入力軸
１１  ヨーク
１１１  ヨークアーム
２  出力軸
２１  ヨーク
２１１  ヨークアーム
３  十字軸
３１１、３２１  スパイダーアーム
４１１、４２１  軸受
１０  ユニバーサルジョイント
７４、７５  カップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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