(57)【要約】  【課題】  転動体の押し付け状態の経時的な変化を軽微に抑え、十分な捩じり剛性と滑らかな伸縮動作とを長期に亘って安定して実現することができ、車両のステアリング装置における中間軸として好便に用い得る伸縮自在シャフトを提供する。  【解決手段】  円形断面を有する内軸3bと円筒形の外軸3aとを内外に嵌め合わせてなる伸縮自在シャフト（中間軸３）において、外軸3aの内周面に軌条溝32を形成し、内軸3bの外周面に軌条溝32と対向する保持溝33を形成し、この保持溝33の底部の凹条35，35内に円筒形をなすばね筒５，５を保持させ、これらのばね筒５，５間にて双方に転接するボール６を、ばね筒５，5 の撓み変形に伴うばね力により軌条溝32の側面に押し付け、外軸3aと内軸3bとの間の回転伝達が、ばね筒５，５及び軌条溝32と点接触するボール６を介してなされ、また外軸3aと内軸3bとが、ボール６の転動により滑らかに伸縮する構成とする。【選択図】        図４
2006090480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形断面を有する内軸と円筒形をなす外軸とを適長に亘って内外に嵌め合わせ、嵌め合い長さの増減による伸縮を許容しつつ両軸の一方から他方への回転伝達を行わせる構成とした伸縮自在シャフトにおいて、
前記外軸の内周面に軸長方向に延設された複数本の軌条溝と、
前記内軸の外周面に軸長方向に延設され、前記軌条溝の夫々と内外に対向する複数本の保持溝と、
該保持溝の底部に、長手方向に沿わせ、幅方向に並べて保持された円筒形をなす２本のばね筒と、
該ばね筒の夫々と前記軌条溝の両側面とに転接し、少なくとも前記軌条溝に沿う方向に転動可能な転動体と
を備えることを特徴とする伸縮自在シャフト。
【請求項２】
前記転動体は、前記軌条溝及びばね筒の長手方向に複数並設されたボールである請求項１記載の伸縮自在シャフト。
【請求項３】
前記ボールと前記軌条溝及びばね筒との接触点、及び前記ばね筒と前記保持溝の接触点は、前記内軸及び外軸の組み付け状態において、前記ボール及びばね筒の中心を結ぶ線上に位置するように設定してある請求項２記載の伸縮自在シャフト。
【請求項４】
前記保持溝の形成域の一側に、前記内軸及び外軸の嵌合周上に並び、軸長方向に延びる凹凸条が適宜の隙間を有して噛合する噛合域を備える請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の伸縮自在シャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸長方向への伸縮自在に構成され、例えば、車両のステアリング装置において、操舵部材と舵取機構とを連絡する中間軸として用いられる伸縮自在シャフトに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両のステアリング装置は、車室の内部に配されたステアリングホイール（操舵部材）を車室の外部に配された舵取機構に連絡し、運転者によるステアリングホイールの回転操作を舵取機構に伝え、該舵取機構の動作により、操舵用の車輪（一般的には前輪）を操舵せしめる構成となっている。ステアリングホイールは、車室の内部に回転自在に支持されたステアリング軸の上端に固定してあり、ステアリングホイールと舵取機構との連絡は、ステアリング軸の下端と舵取機構の入力軸とを、両端に自在継手を備える中間軸により連結してなされている。
【０００３】
このように用いられる中間軸は、車両の走行中に操舵用の車輪を介して舵取機構に加わる振動を吸収し、この振動がステアリング軸を介してステアリングホイールへ伝播することを防止することを目的として、回転の伝達を可能としながら軸長方向への伸縮を自在とした伸縮自在シャフトとして構成されることがある。
【０００４】
この種の伸縮自在シャフトは、一般的に、円筒形をなす外軸に内軸を適長に亘って嵌め合わせ、両者の嵌合周上に並設された軸長方向に延びる凹凸条（スプライン又はセレーション）を相互に噛合させて構成されているが、この構成においては、小なる抵抗下にて滑らかな伸縮を可能とするために、嵌合周上にて噛合する夫々の凹凸条間に適宜の噛合隙間を確保する必要がある一方、この噛合隙間の存在により、内軸から外軸、又は外軸から内軸への回転伝達に際して両軸が周方向にがたつき、耳障りな衝突音が発生するという問題があり、また前述したステアリング装置における中間軸として使用された場合、例えば、操舵方向の転換時にステアリングホイールから舵取機構への伝動に遅れが生じ、操舵感の悪化を招来するという問題がある。
【０００５】
このようながたつきに起因する問題を解消するため、前述したステアリング装置の中間軸として使用される一部の伸縮自在シャフトにおいては、外軸及び内軸の嵌合周上の互いに対向する部位に軸長方向に延びる凹形の軌条を形成し、この軌条の対向部間に複数のボールを配置して、これらのボールの夫々の軌条への転接部を介して回転伝達を行わせると共に、各軌条内での前記ボールの転動による転がり抵抗下にて軸長方向の伸縮を滑らかに行わせるようにした結合構造、所謂、ボールスプラインが採用されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。
【特許文献１】実公昭４５−１９２０７号公報
【特許文献２】特開２００１−５０２９３号公報
【特許文献３】特開２００３−３３６６５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上の如きボールスプラインにおいても、がた止めのために前記ボールを軌条に押し付ける必要があり、特許文献１においては、外軸に設けた凹溝に帯状弾性体を介して中間溝片を取付け、この中間溝片を軌条としてボールに押し付ける構成としてあり、特許文献２においては、外軸又は内軸に設けた凹溝に幅方向に２分割された棒状の軌条片を配し、これらの軌条片を両者の対向面と凹溝の底面との間に介装されたらせんばねにより付勢してボールに押し付ける構成としてあり、更に特許文献３においては、内軸に設けた凹溝内に軌条を兼ねるＷ形断面を有する板ばねを架設し、この板ばねのばね力によりボールを付勢して、外軸の軌条に押し付ける構成としてある。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された構成においては、ゴム等の弾性材料によりなる帯状弾性体による押し付け力が低く、回転トルクの作用時に、帯状弾性体の変形を伴って中間溝片が変位して外軸と内軸との間に捩れが発生することが避けられず、操舵感の悪化を招来するという問題がある。
【０００８】
また特許文献２に開示された構成においては、凹溝の底面及び側面と軌条片とが面接触状態にあり、回転トルクの伝達下にて伸縮する際に、凹溝と軌条片との間に大なる摩擦力が加わり、伸縮途中に引っかかりを伴うスティックスリップが発生し、滑らかな伸縮動作が妨げられるという問題がある。
【０００９】
また特許文献３に開示された構成においては、回転トルクの伝達下において板ばねに撓み代がない場合、該板ばねにボールの押し付けによる圧痕が発生し、経時的ながたの増大を招来するという問題があり、この問題を解消すべく前記撓み代を確保した場合、繰り返し行われる回転伝達毎に発生する応力の作用により、板ばねの破損、へたり等の不具合を招く一方、応力緩和のために薄肉の板ばねを用いた場合、押し付け力の不足により、特許文献１におけると同様、外軸と内軸との間の捩れ剛性が低くなり、操舵感の悪化を招くという問題がある。
【００１０】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、転動体の押し付け状態の経時的な変化を軽微に抑え、十分な捩じり剛性と滑らかな伸縮動作とを長期に亘って安定して実現することができ、車両のステアリング装置における中間軸として好便に用い得る伸縮自在シャフトを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１発明に係る伸縮自在シャフトは、円形断面を有する内軸と円筒形をなす外軸とを適長に亘って内外に嵌め合わせ、嵌め合い長さの増減による伸縮を許容しつつ両軸の一方から他方への回転伝達を行わせる構成とした伸縮自在シャフトにおいて、前記外軸の内周面に軸長方向に延設された複数本の軌条溝と、前記内軸の外周面に軸長方向に延設され、前記軌条溝の夫々と内外に対向する複数本の保持溝と、該保持溝の底部に、長手方向に沿わせ、幅方向に並べて保持された円筒形をなす２本のばね筒と、該ばね筒の夫々と前記軌条溝の両側面とに転接し、少なくとも前記軌条溝に沿う方向に転動可能な転動体とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明においては、内軸に形成された保持溝に保持された２本のばね筒の夫々が、これらに転接支持された転動体にばね力を付加し、外軸に形成された軌条溝の側面に異なる向きから押し付けて内軸と外軸とをがたつきなく一体化し、ばね筒の撓み変形に伴う大なるばね力の付加により高い捩れ剛性を実現し、またばね筒及び軌条溝との点接触状態にて転動する転動体の転がり抵抗下にて滑らかな伸縮動作を行わせる。
【００１３】
また本発明の第２発明に係る伸縮自在シャフトは、第１発明における転動体が、前記軌条溝及びばね筒の長手方向に複数並設されたボールであることを特徴とする。
【００１４】
この発明においては、全方向に転動可能であり、押し付けにより変形し難いボールにより転動体を構成し、十分な捩じり剛性と滑らかな伸縮動作とを長期に亘って安定して実現する。
【００１５】
また本発明の第３発明に係る伸縮自在シャフトは、前記ボールと前記軌条溝及びばね筒との接触点、及び前記ばね筒と前記保持溝の接触点は、前記内軸及び外軸の組み付け状態において、前記ボール及びばね筒の中心を結ぶ線上に位置するように設定してあることを特徴とする。
【００１６】
この発明においては、軌条溝、ボール、ばね筒及び保持溝の接触点が、組み付け状態において、ボール及びばね筒の中心を結ぶ線上に並ぶように設定し、ばね筒のばね力による軌条溝へのボールの押し付けを、軌条溝の側面と略直交する方向に生ぜしめ、回転トルクに対する捩じり剛性を高める。
【００１７】
更に本発明の第４発明に係る伸縮自在シャフトは、前記保持溝の形成域の一側に、前記内軸及び外軸の嵌合周上に並び、軸長方向に延びる凹凸条が適宜の隙間を有して噛合する噛合域を備えることを特徴とする。
【００１８】
この発明においては、回転トルクの作用下にてばね筒の変形を伴って生じる内軸と外軸との相対角変位が大きくなり、噛合域にて噛合する凹凸条の噛合隙間に達したとき、これらの凹凸条が当接して相対角変位を拘束し、過大な回転トルクの作用下でのばね筒の変形量を制限し、ばね力の喪失を防止して、十分な捩じり剛性下での回転伝達と、滑らかな伸縮動作とを良好に維持する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る伸縮自在シャフトにおいては、内外に嵌め合わされた内軸と外軸とのがたつきのない連結を確実に実現することができ、十分な捩じり剛性と滑らかな伸縮動作とを長期に亘って良好に維持することが可能であり、ステアリング装置における中間軸として用いた場合に、舵取機構側からのステアリングホイールへの振動の伝播を有効に防止しつつ、ステアリングホイールの操作を遅れなく舵取機構に伝えることができ、良好な操舵感が得られるようになる等、本発明は優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係る伸縮自在シャフトを中間軸として備えるステアリング装置の構成を示す模式図である。図中１は、ステアリング軸であり、該ステアリング軸１は、円筒形をなすハウジング２の内部に同軸的に支承され、該ハウジング２の中途部及び一端部を夫々支持するアッパブラケット20及びロアブラケット21により、ロアブラケット21による支持側を前下方（図における左下方）に向けた傾斜姿勢にて車室の内部に取付けられている。
【００２１】
ハウジング２の上部に突出するステアリング軸１の上端部には、操舵部材としてのステアリングホイール10が、車室内部の運転者に対面するように嵌着固定されている。またハウジング２の下部に突出するステアリング軸１の下端部は、車室の外部に配された舵取機構４の入力軸40に、軸心を交叉及び偏心させて対向されており、これらは、両端に自在継手3c，3cを備える中間軸３を介して連結されている。
【００２２】
以上の構成により運転者により操舵のためにステアリングホイール10に加えられる操舵トルクは、ステアリング軸１及び中間軸３を介して舵取機構４の入力軸40に伝達され、該舵取機構４の動作により操舵が実行される。
【００２３】
なお図１に示すステアリング装置は、ハウジング２の下端部近傍に操舵補助用のモータ22を備え、また該モータ22よりも上位置のハウジング２の内部にトルクセンサ23を備えており、ステアリングホイール10に加えられる操舵トルクをトルクセンサ23により検出し、この検出トルクに基づいて駆動されるモータ22の回転力をハウジング２内部のステアリング軸１に伝え、前述の如く行われる操舵を補助する電動パワーステアリング装置として構成されているが、以下に示す本発明の特徴的な構成は、運転者によりステアリングホイール10に加えられる操舵トルクのみによって操舵を行わせるマニュアル式のステアリング装置にも適用可能であり、また舵取機構４に付設された油圧シリンダの発生力により操舵を補助する油圧パワーステアリング装置にも適用可能である。
【００２４】
以上の如く構成されたステアリング装置において、ステアリング軸１の下端を舵取機構４の入力軸40に連結する中間軸３は、適長に亘って嵌め合わされた外軸3a及び内軸3bを備えており、これらの嵌め合い長さの増減により伸縮自在な伸縮自在シャフトとして構成されている。この伸縮は、車両の走行中に、舵取機構４から加わる振動を吸収し、ステアリング軸１を介してステアリングホイール10へ伝播することを防止するために利用されている。
【００２５】
図２は、中間軸３を構成する外軸3a及び内軸3bの嵌合部の縦断面図、図３は、中間軸３を構成する外軸3a及び内軸3bの嵌合部の分解斜視図である。図示の如く内軸3bは、円形断面を有する中実軸であり、外軸3aは、内軸3bの嵌め込みが可能な円筒形の中空軸であり、外軸3aの内周面及び内軸3bの外周面には、夫々への嵌め込み側端部から適長に亘ってスプライン30，31が形成されている。
【００２６】
また外軸3aの内周面には、径方向の外側に向けて縮幅する台形断面を有する軌条溝32，32，32が、周方向に等配をなす３か所に、スプライン30を形成する複数の凹凸条を包含する所定の幅を有して全長に亘って形成されている。一方内軸3bの外周面には、外軸3aの軌条溝32，32，32と同数であり、後述する異形断面を有する保持溝33，33，33が、周方向に等配をなして形成されている。これらの保持溝33，33，33は、スプライン31の形成域を内軸3bの先端から離れた位置に適長余す長さ範囲に亘り、夫々の間にスプライン31を形成する凹凸条を各複数余した広い開口幅を有して形成されており、これらの保持溝33，33，33の夫々には、薄肉円筒形をなす２つのばね筒５，５と、転動体としての複数のボール６，６…が保持されている。
【００２７】
以上の如く構成された外軸3aと内軸3bとは、保持溝33，33，33の夫々にばね筒５，５とボール６，６…とを保持させた内軸3bを、保持溝33，33，33が軌条溝32，32，32に整合するように外軸3aに対して位置決めし、該外軸3aに内嵌せしめることにより、図２に示す如く一体化される。図４は、図２のIV−IV線による横断面図であり、保持溝33，33，33の形成域における外軸3aと内軸3bとの嵌合部を拡大して示してある。
【００２８】
本図及び図３に示す如く保持溝33は、中央の凸条34により分割された半円形断面を有する２つの凹条35，35を底部に備え、これらの凹条35，35の両側から径方向外向きにテーパ状に拡幅する側面を介して内軸3b外周の開口に連なる断面形状を有しており、ばね筒５，５は、前記凹条35，35の夫々に沿わせて保持され、周方向に適宜の間隔を隔てて位置決めされている。また複数のボール６，６…は、図３に示す如く、矩形板状をなす保持器60により夫々の間に所定の間隔を隔てて一体に保持されており、前述の如く保持溝33の内部に保持されたばね筒５，５の間に載置され、これらのばね筒５，５の外周面の夫々に、保持器60の一側に突出する半部を夫々点接触させて支持されている。
【００２９】
外軸3aと内軸3bとの嵌め合わせは、以上の如くばね筒５，５及びボール６，６…を保持させた内軸3bの保持溝33，33，33を、外軸3aの軌条溝32，32，32に周方向に位置合わせして行われる。この嵌め合わせにより夫々の保持溝33の中央に位置するボール６，6 …は、図４に示す如く、台形断面を有する軌条溝32の両側面に保持器60の他側に突出する半部を２点接触させた状態となり、他側に接触するばね筒５，５が撓み変形して発生するばね力により軌条溝32の両側面に押し付けられ、外軸3a及び内軸3bは、周方向の３か所にて生じる同様の押し付けにより、周方向にがたつきを生じることなく一体回転することが可能である。
【００３０】
また、外軸3aと内軸3bとに軸長方向の力が作用した場合、ばね筒５，５及び軌条溝32との４点接触下にてボール６が転動し、外軸3aと内軸3bとは、周方向の３か所にて生じる同様の転動により、点接触状態にあるボール６，６…の転がり抵抗下にて嵌め合い長さを増減して滑らかに伸縮することができる。またボール６，６…は、軸長方向に複数配してあり、外軸3aと内軸3bとの伸縮は、軸長方向の複数か所でのボール６，６…の転接により軸心を傾けることなく生じ、スティックスリップの発生を抑えて滑らかな伸縮を行わせることができる。
【００３１】
ボール６，６…の押し付けは、円筒形をなすばね筒５，５が径方向の撓み変形の反力として発生するばね力によってなされており、強固な押し付けが可能であり、またこの押し付け力の経時的な変化も軽微に抑えることができ、がたつきのない一体回転と滑らかな伸縮動作とを長期に亘って安定して行わせることができる。なおばね筒５，５は、実施の形態に示す閉止断面の円筒体であることが望ましいが、周上の一部に欠落部を有する開放断面の円筒体であってもよい。
【００３２】
ここで、ボール６のばね筒５との接触点Ａ、ボール６の軌条溝32の側面との接触点Ｂ、及びばね筒５の保持溝33との接触点Ｃは、図４に示す如く、ボール６及びばね筒５の中心を結ぶ直線上に略整合するように設定してある。この設定により、接触点Ａ，Ｃ間にて撓み変形するばね筒５のばね力は、ボール６の軌条溝32の側面との接触点Ｂに、該側面と略直交する向きに加わることとなり、外軸3a及び内軸3bに周方向の両向きに加わる回転トルクの作用により該当する側のばね筒５の撓み変形量が大きくなった場合においても、ボール６は、ばね筒５，５と軌条溝32の両側面との間にて位置ずれすることなく良好な接触状態を保ち、両方向に加わる回転トルクに対して十分な捩じり剛性を有して対抗することができる。なお、以上の如き接触点Ａ，Ｂ，Ｃの位置設定は、軌条溝32及び保持溝33の側面の傾斜角度を合わせ、これらの間に位置するボール６及びばね筒５の直径を適正に定めることにより実現される。
【００３３】
図５は、図２のＶ−Ｖ線による横断面図であり、保持溝33，33，33の非形成域における外軸3aと内軸3bとの嵌合部を拡大して示してある。内軸3bの外周面には、保持溝33，33，33の形成域に連続してスプライン31の形成域が残されており、また外軸3aの内周面には、３か所の軌条溝32，32，32の形成部を除いてスプライン30の形成域が残されており、これらは、図５に示す如く、外軸3aと内軸3bとの嵌め合わせにより、適宜の隙間を有して相互に噛合された状態となる。なお、内軸3b外周のスプライン31は、保持溝33，33，33の形成域にも夫々の間に一部が残されており、これらも外軸3a内周のスプライン30に、図４に示す如く噛合させてある。
【００３４】
このように噛合するスプライン30，31は、外軸3a及び内軸3bに過大な回転トルクが加えらればね筒５の変形に伴う両軸3a，3bの相対角変位が大きくなったとき、この変位の側において相互に接触し、更なる変位を拘束するストッパとしての作用をなす。図６は、スプライン30，31の噛合部によるストッパ作用の説明図であり、外軸3a及び内軸3bに加わる回転トルクと両軸3a，3bの相対角変位との関係を示している。本図に示す如く外軸3aと内軸3bとの相対角変位は、中立状態の両側において回転トルクの増大に伴ってばね筒５のばね定数に応じた傾きを有して増大し、所定の上限トルクＴ0 に達した後にスプライン30，31の当接によって拘束され、回転トルクの増加の如何に拘らず略一定に維持される。
【００３５】
このように、内軸3bの外周に残されたスプライン31と外軸3aの内周のスプライン30との作用により、過大な回転トルクの作用によるばね筒５，５の過剰な撓み変形を防止することができる。これにより、例えば、操舵用の車輪が路面の凸部、路肩に乗り上げたとき、舵取機構４を介して中間軸３に加わる過大な逆入力トルクの作用によるばね筒５，５の撓み変形量を制限することができ、塑性変形によるばね力の喪失が未然に防止され、ばね筒５，５によるボール６の前述した押し付け下にて生じる外軸3aと内軸3bとのがたつきのない一体回転及び滑らかな伸縮動作が良好に維持される。
【００３６】
なお、保持溝33，33，33の非形成域に残されたスプライン31と、外軸3a内周のスプライン30とは、前述の如く適宜の隙間を有して相互に噛合するが、この噛合域Ａ（図２参照）の長さは、種々の運転状況において加わることが想定される最大回転トルクの作用下において、スプライン30との噛合部に損傷を生じない長さに設定されている。またスプライン30，31は、前記上限トルクＴ0 以下の回転トルクの作用時には隙間を有して噛合しており、ボール６，６…の転がりを伴って生じる滑らかな伸縮動作が、スプライン30，31の噛合部における摩擦により損なわれる虞れはない。
【００３７】
以上の実施の形態においては、車両のステアリング装置においてステアリング軸１と舵取機構４とを連結すべく使用される中間軸３への適用例について述べたが、本発明に係る伸縮自在シャフトは、軸長方向の滑らかな伸縮を許容しつつ回転を伝達すべく用いられるシャフト全般に適用可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る伸縮自在シャフトを中間軸として備えるステアリング装置の構成を示す模式図である。
【図２】中間軸を構成する外軸及び内軸の嵌合部の縦断面図である。
【図３】中間軸を構成する外軸及び内軸の嵌合部の分解斜視図である。
【図４】図２のIV−IV線による横断面図である。
【図５】図２のＶ−Ｖ線による横断面図である。
【図６】スプラインの噛合部によるストッパ作用の説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
３    中間軸（伸縮自在シャフト）
3a    外軸
3b    内軸
５    ばね筒
６    ボール（転動体）
30，31    スプライン（凹凸条）
32    軌条溝
33    保持溝
Ａ    噛合域
【図１】
2006090480.tif 000003
【図２】
2006090480.tif 000004
【図３】
2006090480.tif 000005
【図４】
2006090480.tif 000006
【図５】
2006090480.tif 000007
【図６】
2006090480.tif 000008