(57)【要約】【課題】機械的強度がより強化されたステアリング用自在継手のヨークを提供する。【解決手段】ステアリング用自在継手のヨーク１は、冷却時にアーム部３の根元を油冷又は水冷する軟窒化処理が基部２の嵌合孔２Ａに施され、基部２の他端部２ｂにおける残留応力が−１００ＭＰａ以下の領域１０の径方向の寸法Ｄと、嵌合孔２Ａの内径ｄとが、Ｄ−ｄ≧１．０（ｍｍ）を満たす。好ましくは、嵌合孔２Ａの窒素拡散層の表面硬さＨｖが３００以上であり、嵌合孔２Ａの化合物層の厚さが３０μｍ以下であり、上記寸法Ｄと、嵌合孔２Ａの内径ｄとが、Ｄ−ｄ≧２（ｍｍ）を満たす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部とアーム部とを有し、
前記基部には、その一端部からシャフトが嵌合して固定される嵌合孔が貫通して設けられ、
前記基部の他端部には、前記嵌合孔の軸線方向に延設されると共に、前記軸線方向に直交する方向に対向し、その方向に同心の軸受孔がそれぞれ形成された１対のアーム部とを有し、
冷却時に前記アーム部の根元を油冷又は水冷する軟窒化処理が前記嵌合孔に施され、
前記他端部における残留応力が−１００ＭＰａ以下の領域の径方向の寸法Ｄと、前記嵌合孔の内径ｄとが、Ｄ−ｄ≧１．０（ｍｍ）を満たすことを特徴とするステアリング用自在継手のヨーク。
【請求項２】
前記嵌合孔の窒素拡散層の表面硬さＨｖが３００以上であり、
前記嵌合孔の化合物層の厚さが３０μｍ以下であり、前記他端部における残留応力が−１００ＭＰａ以下の領域の径方向の寸法Ｄと、前記嵌合孔の内径ｄとが、Ｄ−ｄ≧２（ｍｍ）を満たすことを特徴とする請求項１に記載のステアリング用自在継手のヨーク。
【請求項３】
前記冷却時に前記アーム部の根元部分を水冷する請求項１又は２に記載のステアリング用自在継手のヨーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車のステアリング装置等に用いられるステアリング用自在継手のヨークに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車のステアリング装置等に用いられるステアリングシャフトは、アッパーシャフト、インターミディエイトシャフト、ロアーシャフト等の複数のシャフトを自在継手（ユニバーサルジョイント）で連結して構成される。自在継手には種々のものがあるが、例えば、一般にカルダンジョイントと呼ばれる自在継手は、クロススパイダと呼ばれる二つの軸を交差させた十字軸の夫々の軸を回転自在にシャフトに取付けて構成される（二つの軸がねじれの位置にあるものもある）。この十字軸の各軸を回転自在に支持する二股の部材をヨークと呼ぶ。すなわち、ステアリングシャフトを構成する各シャフトの端部にはヨークが取付けられ、それぞれのヨークに十字軸の何れかの軸が回転自在に取付けられている。
【０００３】
近年では、ステアリングギヤに操舵補助力を伝達する電動パワーステアリング機能を備えたステアリング装置が開発されている。このような電動パワーステアリング機能を備えたステアリング装置においては、これを構成するステアリングシャフトの機械的強度を向上させるために、ステアリングシャフトにガス軟窒化処理を施したものが開示されている（特許文献１〜４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００３／０３１２５０号
【特許文献２】特許第５１５８４１９号公報
【特許文献３】特開２００７−３０８０５７号公報
【特許文献４】特開２００７−１３１０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、パワーステアリング機能を備えたステアリング装置に組み込まれる自在継手に作用する荷重は増加する傾向にあり、特許文献１〜４に開示された自在継手には、特に捻りに対する機械的強度の更なる向上が求められる。特に、自在継手が、ボール等を介して互いに摺動可能に嵌合された伸縮式の自在継手である場合はその要求は顕著である。
そこで、本発明は上記要求に着目してなされたものであり、その目的は、捻りに対する機械的強度をより向上させたステアリング用自在継手のヨークを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するためのステアリング用自在継手のヨークのある態様は、基部とアーム部とを有し、
上記基部には、その一端部からシャフトが嵌合して固定される嵌合孔が貫通して設けられ、
上記基部の他端部には、上記嵌合孔の軸線方向に延設されると共に、上記軸線方向に直交する方向に対向し、その方向に同心の軸受孔がそれぞれ形成された１対のアーム部とを有し、
冷却時に上記アーム部の根元を油冷又は水冷する軟窒化処理が上記嵌合孔に施され、
上記他端部における残留応力が−１００ＭＰａ以下の領域の径方向の寸法Ｄと、上記嵌合孔の内径ｄとが、Ｄ−ｄ≧１．０（ｍｍ）を満たす。
好ましくは、上記嵌合孔の窒素拡散層の表面硬さＨｖが３００以上であり、
上記嵌合孔の化合物層の厚さが３０μｍ以下であり、上記寸法Ｄと上記嵌合孔の内径ｄとが、Ｄ−ｄ≧２（ｍｍ）を満たす。
【０００７】
ここで、上記ステアリング用自在継手のヨークにおいては、上記嵌合孔に施される軟窒化処理の冷却時に上記アーム部の根元が水冷されることが好ましい。
また、上記ステアリング用自在継手のヨークにおいては、上記基部及びシャフトが互いに摺動する伸縮軸であってもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、捻りに対する機械的強度がより向上したステアリング用自在継手のヨークを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】自動車の操舵機構部の構成を示す側面図である。
【図２】ステアリング用自在継手のヨークのある実施形態における構成を示す図であり、（ａ）は軸線方向に沿う断面図、（ｂ）は正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係るステアリング用自在継手のヨークの実施形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書においては、ヨークの基部におけるアーム部が設けられた側を正面とし、基部（又はその嵌合孔）の軸線方向と直交する方向を径方向とする。
図１は、ある実施形態のステアリング用自在継手のヨークを適用した車両用ステアリングシャフトを備えた自動車の操舵機構部の構成を示す側面図である。また、図２は、ステアリング用自在継手のヨークのある実施形態における構成を示す図であり、（ａ）は軸線方向に沿う断面図、（ｂ）は正面図である。
【００１１】
＜自動車の操舵機構部の構成＞
図１は、本実施形態のステアリング用自在継手のヨークを適用した車両用ステアリングシャフトを備えた自動車の操舵機構部の構成を示す側面図である。
図１に示すように、自動車の操舵機構部は、アッパステアリングシャフト部１２０と、ステアリングホイール１０５と、ロアステアリングシャフト部１０７と、ピニオンシャフト１０９と、ステアリングラック軸１１２と、ステアリングラック支持部材１１３とを有する。これらのうち、アッパステアリングシャフト部１２０とロアステアリングシャフト部１０７とが車両ステアリング用伸縮軸（以下、伸縮軸ということがある。）を構成する。
【００１２】
アッパステアリングシャフト部１２０は、車体側のメンバ１００にアッパブラケット１０１とロアブラケット１０２とを介して取付けられる。アッパステアリングシャフト部１２０は、ステアリングコラム１０３と、ステアリングコラム１０３に回転自在に保持されたステアリングシャフト１０４とを有する。
ステアリングホイール１０５は、ステアリングシャフト１０４の上端に装着される。一方、ロアステアリングシャフト部１０７は、雌軸１０７Ａとこの雌軸１０７Ａに摺動可能な雄軸１０７Ｂとからなる。雄軸１０７Ｂは、アッパステアリングシャフト１２０の下端に自在継手（ユニバーサルジョイント）１０６を介して連結される。
【００１３】
ピニオンシャフト１０９は、ロアステアリングシャフト部１０７の雌軸１０７Ａに操舵軸継手１０８を介して連結される。このピニオンシャフト１０９にはステアリングラック軸１１２が連結される。
また、ステアリングラック支持部材１１３は、このステアリングラック軸１１２を支持して車体の別のフレーム１１０に弾性体１１１を介して固定される。
ここで、本実施形態のヨーク１（図２参照）は、図１に示す自動車の操舵機構部に用いられる継手を構成するものであれば、特に制限はなく、例えば、自在継手１０６及び操舵継手１０８の少なくとも何れか一方を構成するものであればよい。
【００１４】
ロアステアリングシャフト部１０７は、雌軸１０７Ａと雄軸１０７Ｂとを嵌合したものである。このようなロアステアリングシャフト部１０７には、自動車が走行する際に発生する軸方向の変位を吸収し、ステアリングホイール１０５上にその変位や振動を伝えない性能が要求される。
このような性能は、車体がサブフレーム構造となっていて、操舵機構上部を固定するメンバ１００とステアリングラック支持部材１１３が固定されているフレーム１１０が別体となっている。すなわち、ステアリングラック支持部材１１３がゴムなどの弾性体１１１を介してフレーム１１０に締結固定されている構造の場合に要求される。
【００１５】
また、その他のケースとして、操舵軸継手１０８をピニオンシャフト１０９に締結する際に作業者が、伸縮軸を一旦縮めてからピニオンシャフト１０９に嵌合させて締結させるため伸縮機能が必要とされる場合がある。
さらに、操舵機構の上部にあるアッパステアリングシャフト部１２０も雄軸と雌軸とを嵌合したものである。このようなアッパステアリングシャフト部１２０には、運転者が自動車を運転するのに最適なポジションを得るためにステアリングホイール１０５の位置を軸方向に移動し、その位置を調整する機能が要求されるため、軸方向に伸縮する機能が要求される。前述の全ての場合において、伸縮軸には嵌合部のガタ音を低減することと、ステアリングホイール１０５上のガタ感を低減することと、軸方向摺動時における摺動抵抗を低減することが要求される。
【００１６】
＜ヨーク＞
図２は、ステアリング用自在継手のヨークのある実施形態における構成を示す図であり、（ａ）は軸線方向に沿う断面図、（ｂ）は正面図である。
図２に示すように、本実施形態のステアリング用自在継手のヨーク（以下、ヨークということがある）１は、基部２と、この基部２に設けられたアーム部３とを有する。この基部２がロアステアリングシャフト部１０７における雌軸１０７Ａに相当する（図１参照）。
【００１７】
基部２は、例えば、嵌合孔２Ａが軸線方向に貫通する円筒形状をなす。この基部２の一方の端部２ａには、シャフト（図１における雄軸１０７Ｂ）がその外周面と基部２の嵌合孔２Ａの内周面２ｃとを摺接させるように嵌合される。
なお、基部２とシャフトとは、相互に回転不能に且つ摺動自在に嵌合される。図１で例示すると、基部２に相当する雌軸１０７Ａは、ステアリングギヤ側のカルダン軸継手１０８のヨーク１０８Ａに連結される。一方、シャフトに相当する雄軸１０７Ｂは、ステアリングホイール側のカルダン軸継手１０６のヨーク１０６Ａに連結される。
【００１８】
［溝部］
ここで、本実施形態のヨーク１は、図２に示すように、基部２の内周面２ｃに、周方向に例えば６０度間隔で等配分した断面を略円弧状とした６つの溝２ｄ，２ｄ，・・・が軸線方向に延在して形成されている。一方、図示しないが、シャフトの外周面にも、周方向に例えば６０度間隔で等配分した断面を略円弧状とした溝２ｄ，２ｄ，・・・と対をなす溝が軸線方向に延在して形成されている。
【００１９】
また、溝２ｄ，２ｄ・・・とシャフトの外周面の溝との間には、複数のボール又はニードルローラが溝２ｄ，２ｄ・・・とシャフトの外周面の溝とに転動自在又は摺動自在に嵌合されている。なお、複数のボール又はニードルローラのうちの１つと溝２ｄとの間に、予圧用の波形形状の板バネ（図示せず）が介装されてもよい。この板バネは、操舵トルク非伝達時には、ボール又はニードルローラをシャフトに対してガタ付のない程度に予圧する一方、操舵トルク伝達時には、弾性変形してボール又はニードルローラをシャフトの間で周方向に拘束する働きをする。その結果、シャフトと基部２との間のガタ付きを確実に防止することができると共に、シャフトと基部２は、ガタ付きのない安定した摺動荷重で軸方向に摺動することができる。
なお、これらトルク伝達部材としてのボール又はニードルローラと、これらを収容するシャフトの軸方向に形成された複数の溝、及び溝２ｄ，２ｄ，・・・に代えて、トルク伝達部材としての複数のセレーションが形成されてもよい。
【００２０】
［ヨークの材料］
本実施形態のヨーク１の材料は、冷間鍛造可能であり、炭素が０．２質量％以下の低炭素鋼であることが好ましい。例えば、機械構造用炭素鋼であるＳ１５Ｃ相当の炭素鋼であることが好ましい。
【００２１】
［ヨークの硬度］
また、本実施形態のヨーク１の基部２の嵌合孔２Ａの内周面２ｃは、軟窒化処理によって窒素拡散層の硬度（Ｈｖ）が３００以上となるように硬化されている。
ここで、軟窒化処理としては、例えば、ガス軟窒化処理（Ｎｖ窒化等）、塩浴窒化処理（イソナイト等）が挙げられる。
ガス軟窒化処理は、急熱型変成ガス、有機溶剤の熱分解ガス等の浸炭性ガス、又は窒素ガス雰囲気中にＮＨ３ガスを３０〜５０％添加し、５５０〜６００℃の温度範囲で１〜５時間過熱保存し、窒素と炭素を同時に侵入拡散させ、処理対象の表面に化合物層（鉄と窒素との化合物層）を形成させるものである。本実施形態のヨーク１は、この化合物層の厚さが３０μｍ以下である。
このガス軟窒化処理によれば、低級鋼に適用することができ、しかも処理時間が９０〜１５０分と通常のガス窒化処理の処理時間２５〜１００時間より大幅に短く、低コストで量産が可能となる。
【００２２】
［ヨークの残留応力］
ここで、上記軟窒化処理では、アーム部３の根元部分を冷却して、残留応力が−１００ＭＰａ以下の領域（残留応力特定領域１０）を形成する。なお、軟窒化処理におけるアーム部３の根元部分の冷却方法は油冷又は水冷とする。この冷却は、５７０℃〜１００℃付近まで５０℃／ｓ以上の冷却が好ましい。
そして、本実施形態のヨーク１は、残留応力特定領域１０の径方向の寸法（直径）を「Ｄ（ｍｍ）」とし、嵌合孔２Ａの内径を「ｄ（ｍｍ）」としたとき、Ｄ−ｄ≧１．０（ｍｍ）を満たし、好ましくは、Ｄ−ｄ≧２（ｍｍ）を満たす。また、上記残留応力特定領域１０の内周面の表面残留応力は−１００ＭＰａ以下が好ましい。
【００２３】
以上説明したように、本実施形態のヨーク１は、「軟窒化処理におけるアーム部３の根元部分の冷却方法」、「残留応力特定領域の径方向の寸法Ｄ」と「嵌合孔２Ａの内径ｄ」との差、「窒素拡散層の硬さ」、「化合物層の厚さ」を規定することによって、捻りに対する機械的強度が向上する。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明に係るヨークの実施例について説明する。
（実施例１）
本実施例では、ヨーク１を構成する素材として、機械構造用炭素鋼であるＳ１５Ｃを使用した。Ｓ１５Ｃを冷間鍛造により、基部２と所望の二股形状のアーム部３とに形成した後、５７０℃で３〜５時間のガス軟窒化処理を行い、アーム部３の根元部分を冷却した。なお、ガス軟窒化処理におけるアーム部３の根元部分の冷却方法は油冷とした。
このようにして作製されたヨーク１について、以下の要領で「残留応力」、「Ｄ−ｄ」、「窒素拡散層の表面硬さ」、及び「化合物層の厚さ」を測定すると共に、「耐久時間比」を測定した。結果を表１に示す。
【００２５】
［「残留応力」、「Ｄ」、及び「ｄ」の測定］
ヨーク１の残留応力の測定は、残留応力特定領域１０に対してＸ線法により行い、応力方向を円周方向として測定した。このように測定された残留応力分布において、残留応力が−１００ＭＰａ以下となる残留応力特定領域１０を特定した。そして、その残留応力特定領域１０の径を「Ｄ」として測定し、別途測定した嵌合孔の内径「ｄ」とから「Ｄ−ｄ」を算出した。結果を表１に示す。また、内周面の表面の残留応力も表１に示す。
【００２６】
［窒素拡散層の表面硬さの測定］
窒素拡散層の表面硬さは、化合物層を研磨で落とした後、表面をビッカース硬度計を用いて０．４９Ｎで測定した。結果を表１に示す。
［化合物層の厚さの測定］
化合物層の厚さの測定は、ヨーク１を軸線方向と直交する方向で切断し、その切断面を研磨した後、ナイタールでエッチングし、断面を観察して測定した。結果を表１に示す。
【００２７】
［耐久時間比の測定］
本実施例では、耐久試験装置を用いて、ヨーク１を治具により固定し、以下の試験条件で捻りトルクを入力してヨーク１の表面に亀裂等の破損が生じるまでの時間（耐久時間）を測定した。結果を表１に示す。なお、耐久時間は比較例１の耐久時間を１．０とした場合の比で示した。
［試験条件］
・打ち切り：１００万回
・周波数：６Ｈｚ
・入力捻りトルク：１３０Ｎｍ
（実施例２〜１６，比較例１，２）
実施例１の諸条件を表１に示したとおりとし、油冷の場合は油温、水冷の場合は水温をそれぞれ２５〜１００℃の間にて調整し、ガス軟窒化時間を調整した以外は実施例１と同様にして実施例２〜１６，比較例１，２のヨークを作製した。結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
2015152092.tif 000003
【００２９】
表１に示すように、本実施例９〜１６のヨークは、「Ｄ−ｄが１．０ｍｍ以上」を満たすので、比較例１，２のヨークより耐久時間比が大きい。また、本実施例１〜８のヨークは、「軟窒化処理時のアーム部の根元部分の冷却方式が油冷又は水冷」、「Ｄ−ｄが２ｍｍ以上」、「残留応力が−１００ＭＰａ以下」、「窒素拡散層の表面硬さＨｖが３００以上」、「化合物層の厚さが３０μｍ以下」であることを満たすことにより、耐久時間比が大きい。特に、「軟窒化処理時のアーム部の根元部分の冷却方式が水冷」である実施例５〜８のヨークは、上記耐久試験の打ち切り回数（１００万回）を超えてもヨークの表面に亀裂等の破損が生じなかったため、特に優れた耐久性を有するヨークであることがわかった。
【００３０】
一方、上記条件を１つでも満たさない比較例１，２のヨークは、耐久時間比が（同等又は）小さかった。特に、比較例１では、「軟窒化処理時のアーム部の根元部分の冷却方式」を「空冷」としたため、残留応力が小さくなったことがわかる。
以上説明したように、本実施形態によれば、ヨーク１の捻りに対する機械的強度が向上し、電動パワーステアリング装置での使用にも十分対応可能な強度のステアリング用自在継手のヨークを提供することができる。
【００３１】
以上、本発明に係るステアリング用自在継手のヨークについて説明したが、本発明に係るステアリング用自在継手のヨークは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。例えば、本発明に係るステアリング用自在継手のヨークは、１対のヨーク及び十字継手によって構成される自在継手において、入力側ではなく固定側のヨークとして用いられることが好ましい。
【符号の説明】
【００３２】
１  ヨーク
２  基部
２ａ  一端部
２ｂ  他端部
２ｃ  内周面
２ｄ  溝部
３  アーム部
３Ａ  軸受孔
３Ｂ  軸受孔
１０  残留応力特定領域
【図１】
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【図２】
2015152092.tif 000005