(57)【要約】【課題】大きな負荷が加わった場合の破壊強度を大きくして、信頼性及び耐久性の確保と、小型・軽量化との両立を図り易い構造を実現する。【解決手段】十字軸１１ａを構成する各軸部１４の基端部外周面と結合基部１５の外面である段差面３０とを、それぞれ断面形状が部分円弧形である凹曲面３１ａにより連続させる。これら各凹曲面３１ａの断面形状の曲率半径を、前記各軸部１４の外周面と連続する先半部３３側で大きく、前記段差面３０と連続する基半部３２側で小さくする。この様な構成により、前記各軸部１４の長さ寸法を徒に大きくせずに、前記各凹曲面３１ａのうちで、トルク伝達時に生じる応力が大きくなり易い部分の断面形状の曲率半径Ｒを大きくして、前記各軸部１４の基端部に、亀裂等の損傷が発生し難くする。【選択図】図１
2015187503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが二股状に形成された１対のヨークと、これら両ヨークの両端部に互いに同心に形成された４個の円孔と、互いの開口を対向させた状態でこれら各円孔の内側に内嵌固定された、それぞれが有底円筒状である４個の軸受カップと、結合基部の外周面に４本の各軸部を放射状に固設して成り、これら各軸部をこれら各軸受カップ内に挿入した状態で前記両ヨークと組み合わされた十字軸と、これら各軸部の外周面とこれら各軸受カップの内周面との間に設けられた４組のラジアル軸受とを備えた十字軸式自在継手に於いて、前記十字軸を構成する前記各軸部の基端部外周面と前記結合基部の外面である段差面とを、それぞれ断面形状が円弧形で、曲率半径が途中で変化する凹曲面により連続させており、これら各凹曲面のうちの前記段差面寄り部分の曲率半径よりも、前記各軸部寄り部分の曲率半径を大きくした事を特徴とする十字軸式自在継手。
【請求項２】
前記十字軸を構成する前記各軸部と前記各軸受カップとが、これら各軸部の軸方向に関する相対変位を実質的に抑えた状態で組み合わされており、これら各軸部の基端部にそれぞれの基部を外嵌支持された状態で、これら各軸部の基端部と前記各軸受カップの開口部との間に設けられた４個のシールリングを備え、これら各シールリングは、金属製で円環状の芯金と、この芯金を包埋する事で補強された基部及びこの基部から延出したシールリップを備えた弾性材とから成るものであり、前記各シールリングは、前記基部を前記各軸部の基端部に締り嵌めで外嵌支持すると共に、前記各シールリップを前記各軸受カップの外面に全周に亙って当接させた状態で、前記十字軸と前記両ヨークとの間に組み付けている、請求項１に記載した十字軸式自在継手。
【請求項３】
前記十字軸を構成する前記各軸部と前記各軸受カップとを、これら各軸部の軸方向に関する相対変位を可能に組み合わせており、これら各軸部に、弾性材製のシールリングを外嵌し、これら各シールリングを、前記各軸受カップの開口部側端面と、前記十字軸の段差面との間で、軸方向に関して弾性的に圧縮した状態で挟持している、請求項１に記載した十字軸式自在継手。
【請求項４】
それぞれが二股状に形成された１対のヨークと、これら両ヨークの両端部に互いに同心に形成された４個の円孔と、互いの開口を対向させた状態でこれら各円孔の内側に内嵌固定された、それぞれが有底円筒状である４個の軸受カップと、結合基部の外周面に４本の各軸部を放射状に固設して成り、これら各軸部をこれら各軸受カップ内に挿入した状態で前記両ヨークと組み合わされた十字軸と、これら各軸部の外周面とこれら各軸受カップの内周面との間に設けられた４組のラジアル軸受とを備えた十字軸式自在継手を構成する前記十字軸を造る為、前記各軸部の外周面と前記結合基部の外面である段差面との連続部に旋削による仕上加工を施す際に、切削部の形状が、曲率半径が途中で変化する部分凸円弧状で、この凸円弧の曲率半径がこの切削部の先端側よりも基端側で大きくなった曲面加工部を備えたバイトを使用し、このバイトを前記各軸部に対して、それぞれこれら各軸部の先端側から基端側に向けて変位させる方向に移動させる事により、前記十字軸を構成する前記各軸部の基端部外周面と前記結合基部の外面である段差面との連続部に、それぞれ断面形状が円弧形で、前記段差面寄り部分の曲率半径よりも、前記各軸部寄り部分の曲率半径を大きい凹曲面を形成する自在継手用十字軸の製造方法。
【請求項５】
前記バイトとして、先端縁に直線加工部を設けたものを使用し、前記曲面加工部により前記各凹曲面に仕上加工を施すと同時に、前記直線加工部により前記段差面に仕上加工を施す、請求項４に記載した自在継手用十字軸の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばステアリングシャフトの動きをステアリングギヤに伝達する為、自動車のステアリング装置に組み込んだ状態で使用する十字軸式自在継手の改良に関する。具体的には、十字軸を構成する４本の各軸部の基端部の強度を向上させる事により、この十字軸を組み込んだ十字軸式自在継手の信頼性及び耐久性の向上、或いは小型・軽量化を可能にするものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車のステアリング装置は、例えば特許文献１に記載されている如く、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、ステアリングシャフト２、自在継手３ａ、中間シャフト４、別の自在継手３ｂを介して、ステアリングギヤユニット５の入力軸６に伝達される。そして、このステアリングギヤユニット５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７、７を押し引きし、左右１対の操舵輪（一般的には前輪）に、前記ステアリングホイール１の操作量に応じて、適切な舵角を付与する様に構成している。尚、前記中間シャフト４として一般的には、図６に示す様に、アウタシャフト８とインナシャフト９との一端部同士をセレーション係合させる事により、トルクの伝達を可能に、但し、衝突事故の際に全長を収縮可能に構成したものを使用している。前記両自在継手３ａ、３ｂは、前記両シャフト８、９の他端部に結合している。
【０００３】
上述の様なステアリング装置に組み込む自在継手として一般的には、カルダン継手と呼ばれる十字軸継手が、広く使用されている。図７〜８は、前記特許文献１に記載される等により、従来から広く知られている自在継手３の１例を示している。尚、図７〜８に示した構造は、振動の伝達を防止する、所謂防振継手であるが、本発明の対象となる自在継手は、必ずしも防振構造を具備する必要はない。そこで、以下の説明は防振構造を省略して、自在継手３の本体部分の構造に就いて行う。
【０００４】
この自在継手３は、十分な剛性を有する金属材によりそれぞれが二又状に形成された１対のヨーク１０ａ、１０ｂと、軸受鋼の如き合金鋼等の硬質金属により造られた十字軸１１とから構成される。これら両ヨーク１０ａ、１０ｂの両端部には、互いに同心の円孔１２、１２を形成している。そしてこれら各円孔１２、１２に、やはり軸受鋼、肌焼鋼等の硬質金属製の板材により有底円筒状に造られた軸受カップ１３、１３を、互いの開口を対向させた状態で内嵌固定している。又、前記十字軸１１は、１対の柱部の中間部同士を互いに直交させた如き形状を有し、それぞれが円柱状である、４箇所の各軸部１４、１４を有する。即ち、中心部に設けた結合基部１５の円周方向等間隔４箇所位置に、それぞれ前記各軸部１４、１４の基端部を結合固定している。これら各軸部１４、１４の中心軸は、同一平面上に存在する。
【０００５】
この様な各軸部１４、１４の軸方向中間部乃至先端部は、前記各軸受カップ１３、１３内に挿入している。そして、これら各軸受カップ１３、１３の内周面と前記各軸部１４、１４の先半部外周面との間に、ニードル軸受等のラジアル軸受１６、１６を設け、前記十字軸１１に対して前記両ヨーク１０ａ、１０ｂが、軽い力で揺動変位する様にしている。この様に構成する為、これら両ヨーク１０ａ、１０ｂの中心軸同士が一致しない状態でも、これら両ヨーク１０ａ、１０ｂの間で回転力の伝達を、伝達ロスを僅少に抑えた状態で行える。
【０００６】
上述の様な自在継手３を車室外に設置する（図５で下側の自在継手３ｂとして利用する）場合には、前記十字軸１１を構成する前記各軸部１４、１４の基端部（前記結合基部１５側の端部）と前記各軸受カップ１３、１３の開口部との間に、それぞれシールリング１７、１７を設ける。そして、これら各シールリング１７、１７により、前記各ラジアル軸受１６、１６の設置部分に泥水等が進入するのを防止し、前記自在継手３の耐久性の確保を図る。前記各シールリング１７、１７はそれぞれ、金属製で円環状の芯金１８と、ゴムの如きエラストマー製の弾性材１９とから成る。このうちの芯金１８は、軟鋼板等の金属板を曲げ形成する事により、断面Ｌ字形で全体を円環状に形成したもので、円輪部２０と、この円輪部２０の内周縁側から前記各軸部１４、１４の先端側に向けて折れ曲がった円筒部２１とから成る、断面Ｌ字形としている。又、前記弾性材１９は、前記芯金１８を包埋する事でこの芯金１８により補強された基部２２と、この基部２２から延出した、それぞれが特許請求の範囲に記載したシールリップである、ラジアルシールリップ２３及びスラストシールリップ２４から成る。
【０００７】
それぞれがこの様な構成を有する、前記各シールリング１７、１７は、前記芯金１８を包埋した基部を前記各軸部１４、１４の基端部に締り嵌めで（弾性材１９の一部を弾性変形させた状態で）外嵌する事により、これら各軸部１４、１４の基端部に、嵌合部のシール性を確保した状態で支持している。この様にこれら各軸部１４、１４の基端部に前記各シールリング１７、１７を支持し、前記十字軸１１と前記各軸受カップ１３、１３とを組み合わせた状態で、前記各シールリップ２３、２４のうちのラジアルシールリップ２３のシール縁は、前記各軸受カップ１３、１３の外周面のうちで開口寄り端部に、全周に亙り弾性的に当接する。又、前記スラストシールリップ２４のシール縁は、前記各軸受カップ１３、１３の開口部に形成された内向鍔部２５の外面（前記結合基部１５に対向する面）に、全周に亙り弾性的に当接する。
【０００８】
更に、前記各軸部１４、１４の中心部にはそれぞれ有底の挿入孔２６、２６を、これら各軸部１４、１４の先端面に開口する状態で、前記各軸部１４、１４の軸方向に形成している。そして、これら各挿入孔２６、２６の内側に、合成樹脂製のピン２７、２７を挿入している。これら各ピン２７、２７は、前記各軸受カップ１３、１３と前記各軸部１４、１４との間で突っ張る事により、これら各軸受カップ１３、１３の開口端部と前記基部２２との距離が縮まり過ぎる事を防止する。そして、前記各シーリング１５、１５のスラストシールリップ２４が過度に圧縮されたり、反対に圧縮量が低下し過ぎる事を防止する。即ち、自在継手３の使用時に前記十字軸１１と前記各軸受カップ１３、１３との間に加わるスラスト荷重に基づき、スラスト荷重作用側（アンカ側）のシールリング１７が過度に圧縮されて耐久性が損なわれ、反対側（反アンカ側）のシールリング１７の圧縮量が低下し過ぎて、このシールリング１７によるシール性が損なわれる事を防止する。
【０００９】
但し、上述の様なピン２７、２７を設けない、十字軸式の自在継手に就いても、従来から広く知られている。即ち、図９に示した従来構造の第２例の如く、軸受カップ１３ａの底部２８の内面中央寄り部分に突条２９、２９を形成し、これら各突条２９、２９の先端縁を、十字軸１１を構成する各軸部１４の先端面に当接させている。この様な構造によっても、自在継手の構成部材の寸法精度及び組立精度を確保さえすれば、前記軸受カップ１３ａと前記各軸部１４との間に設けるシールリング１７の圧縮量を適性範囲に保持できる。
【００１０】
何れの構造の場合でも、十字軸１１を構成する各軸部１４、１４の基端部にシールリング１７、１７を、締り嵌めで外嵌支持する。そして、これら各軸部１４、１４に対するこれら各シールリング１７、１７の位置決めを適正にする事が、十字軸式の自在継手３の変位抵抗を抑えると共に、これら各シールリング１７、１７のシール性能を確保する面から重要になる。これらの事を考慮すると、図７〜９に示した従来構造では、十字軸式自在継手に関して、十分な信頼性及び耐久性を確保しつつ、小型・軽量化を図る事が難しい。この点に就いて、図１０を参照しつつ説明する。
【００１１】
十字軸１１を構成する各軸部１４のうち、軸方向中間部乃至先端部である、図１０のＬ範囲部分は、ラジアル軸受１６（図７〜９参照）の内輪軌道としての役目を有する為、超仕上等の研削加工を施す。十字軸式自在継手によるトルク伝達は、前記ラジアル軸受１６を介して行うので、伝達可能なトルク（トルク容量）を確保する必要上、前記Ｌ範囲の長さ寸法は或る程度必要である。又、このＬ範囲で表された内輪軌道部分よりも基端寄り部分には、シールリング１７の基部２２を外嵌支持する。この支持力を十分に確保する為、及び、この嵌合部のシール性を確保する為には、前記各軸部１４と前記基部２２との嵌合幅Ｗを、或る程度以上確保する必要がある。又、これら基部２２と各軸部１４とを嵌合させた状態で、この基部２２に包埋した芯金１８の円輪部２０の片面を、前記十字軸１１を構成する、前記結合基部１５の外面である段差面３０に当接させて、前記各軸部１４の軸方向に関する、前記シールリング１７の位置決めを図る。この位置決めの精度を確保する為には、前記円輪部２０の片面と前記段差面３０との当接状態を安定させる必要上、これら両面同士を均一に当接させる必要がある。
【００１２】
以上の事を考慮し、しかも、前記十字軸１１の全長を少しでも短く抑えて、この十字軸１１を組み込んだ自在継手３（図５〜９参照）の小型・軽量化を図る為に従来は、図１０に示す様に、前記各軸部１４の外周面と前記段差面３０とを連続させる凹曲面３１の曲率半径を小さくしていた。一方、前記自在継手３によりトルクを伝達する際に、前記各軸部１４と前記結合基部１５との連続部には、この結合基部１５に対しこの各軸部１４を倒す方向のモーメントが、繰り返し加わる。そして、このモーメントにより、前記凹曲面３１部分に応力が加わる。この応力の大きさは、この凹曲面３１の断面形状の曲率半径が小さい程、又、前記各軸部１４の外径が小さい程、それぞれ大きくなる。従って、前記凹曲面３１部分に亀裂等の損傷が発生するのを防止すべく、この凹曲面３１部分に加わる応力を低く抑える為には、前記凹曲面３１の断面形状の曲率半径を大きくするか、又は、前記各軸部１４の外径を大きくする必要があり、自在継手３の小型・軽量化を図る面からは不利になる。
【００１３】
特許文献２には、十字軸の各軸部の全長を確保して、この各軸部がヨークの円孔から抜け出難くする為、この各軸部の先端部に面取り部を設ける発明が記載されている。この様な特許文献２に記載された発明の構造によれば、大きなトルク伝達時に於ける、十字軸とヨークとの分離防止を図るべく、この十字軸を構成する各軸部の全長を長くした場合でも、この十字軸をヨークに組み込む事ができる。但し、前記特許文献２に記載された発明の構造にしても、前記図１０により説明した様な理由で、大きな負荷が加わった場合に於ける破壊強度（大負荷時破壊強度）を大きくし難く、信頼性及び耐久性の確保と、小型・軽量化との両立を図り難い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１０−１８１０１６号公報
【特許文献２】特開平１１−０３７１７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上述の様な事情に鑑みて、大負荷時破壊強度を大きくして、信頼性及び耐久性の確保と、小型・軽量化との両立を図り易い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】
【００１６】
本発明の十字軸式自在継手、並びに、本発明の製造方法の対象となる十字軸を組み込んだ十字軸式自在継手は、１対のヨークと、４個の円孔と、４個の軸受カップと、十字軸と、４組のラジアル軸受とを備える。
このうちの１対のヨークは、それぞれが二股状に形成されている。
又、前記各円孔は、これら両ヨークの両端部に、互いに同心に形成されている。
又、前記各軸受カップは、それぞれが有底円筒状で、互いの開口を対向させた状態で、前記各円孔の内側に内嵌固定されている。
又、前記十字軸は、結合基部の外周面に４本の各軸部を放射状に固設して成る。そして、これら各軸部を前記各軸受カップ内に挿入した状態で、前記両ヨークと組み合わされている。
更に、前記各ラジアル軸受は、前記各軸部の外周面と前記各軸受カップの内周面との間に設けられている。
【００１７】
特に、本発明のうちの、請求項１に記載した十字軸式自在継手に於いては、前記十字軸を構成する前記各軸部の基端部外周面と前記結合基部の外面である段差面とを、それぞれ断面形状が円弧形で、曲率半径が途中で変化する凹曲面により連続させている。そして、これら各凹曲面のうちの前記段差面寄り部分の曲率半径よりも、前記各軸部寄り部分の曲率半径を大きくしている。
【００１８】
この様な本発明の十字軸式自在継手を実施する場合、具体的には、例えば請求項２に記載した発明の様に、前記十字軸を構成する前記各軸部と前記各軸受カップとを、これら各軸部の軸方向に関する相対変位を実質的に抑えた状態で（構成部材の弾性変形に基く僅かな相対変位を除き阻止した状態で）組み合わせる。又、４個のシールリングを、前記各軸部の基端部にそれぞれの基部を外嵌支持した状態で、これら各軸部の基端部と前記各軸受カップの開口部との間に設ける。前記各シールリングは、金属製で円環状の芯金と、この芯金を包埋する事で補強された基部及びこの基部から延出したシールリップを備えた弾性材とから構成する。そして、前記各シールリングを、前記基部を前記各軸部の基端部に締り嵌めで外嵌支持すると共に、前記各シールリップを前記各軸受カップの外面に全周に亙って当接させた状態で、前記十字軸と前記両ヨークとの間に組み付ける。
或いは、請求項３に記載した発明の様に、前記十字軸を構成する前記各軸部と前記各軸受カップとを、これら各軸部の軸方向に関する相対変位を可能に組み合わせる。そして、これら各軸部に、弾性材製のシールリングを外嵌し、これら各シールリングを、前記各軸受カップの開口部側端面と、前記十字軸の段差面との間で、軸方向に関して弾性的に圧縮した状態で挟持する。
【００１９】
又、請求項４に記載した、自在継手用十字軸の製造方法は、前記各軸部の外周面と前記結合基部の外面である段差面との連続部に旋削による仕上加工を施す際に、切削部の形状が、曲率半径が途中で変化する部分凸円弧状で、この凸円弧の曲率半径がこの切削部の先端側よりも基端側で大きくなった曲面加工部を備えたバイトを使用する。そして、このバイトを前記各軸部に対して、それぞれこれら各軸部の先端側から基端側に向けて変位させる方向に移動させる。この作業により、前記十字軸を構成する前記各軸部の基端部外周面と前記結合基部の外面である段差面との連続部に、それぞれ断面形状が円弧形で、前記段差面寄り部分の曲率半径よりも、前記各軸部寄り部分の曲率半径を大きい凹曲面を形成する。
この様な請求項４に記載した自在継手用十字軸の製造方法を実施する場合に好ましくは、請求項５に記載した発明の様に、前記バイトとして先端縁に直線加工部を設けたものを使用する。そして、前記曲面加工部により前記各凹曲面に仕上加工を施すと同時に、前記直線加工部により前記段差面に仕上加工を施す。
【発明の効果】
【００２０】
前述の様に構成する本発明の十字軸式自在継手によれば、大負荷時破壊強度を大きくして、信頼性及び耐久性の確保と、小型・軽量化との両立を図り易い構造を実現できる。
即ち、本発明の十字軸式自在継手の場合には、十字軸を構成する結合基部の外面である段差面と各軸部の基端部外周面とを、それぞれ断面形状が部分円弧形で、これら各軸部寄り部分の曲率半径を大きくした、凹曲面により連続させている。これら各凹曲面の曲率半径が、前記各軸部寄り部分で大きい事は、トルク伝達時にこれら各軸部に加わる、倒れ方向のモーメントに拘らず、これら各軸部の基端部外周面と段差面との連続部に発生する応力を低く抑えられる事に繋がる。又、前記段差面寄り部分の曲率半径を小さく抑える事は、前記各軸部の軸方向に関する、前記各凹曲面の幅寸法を抑え、これら各軸部の中間部乃至先端部に存在する内輪軌道の軸方向長さ、及び、シールリングを装着可能な部分の軸方向幅を確保できる事に繋がる。この結果、前記各軸部の長さ寸法や外径を特に大きくしなくても、前記連続部に亀裂等の損傷を発生し難くできて（大負荷時破壊強度を大きくして）、前記十字軸を組み込んだ十字軸式自在継手の信頼性及び耐久性を確保できる。言い換えれば、必要とする信頼性及び耐久性を同じとした場合には、前記十字軸の寸法を小さく抑えて、この十字軸を組み込んだ、十字軸式自在継手の小型・軽量化を図れる。
更に、請求項４に記載した発明によれば、上述の様な作用・効果を発揮する、前記各凹曲面を能率良く形成できて、高性能の十字軸式自在継手を低コストで得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態の第１例を、十字軸及びシールリングを取り出した状態で示す部分断面図。
【図２】各軸部の基端部外周面と結合基部の外面である段差面との連続部に凹曲面を形成する状態を示す部分断面図。
【図３】本発明の技術的範囲に属する凹曲面（Ａ）と、本発明の技術的範囲から外れる凹曲面（Ｂ）（Ｃ）とを示す部分断面図。
【図４】本発明の実施の形態の第２例を示す、図１と同様の図（Ａ）及びシールリングの別例を示す部分断面図（Ｂ）。
【図５】自在継手を組み込んだステアリング装置の１例を示す斜視図。
【図６】両端部に十字軸式自在継手を装着した中間シャフトを示す、部分切断側面図。
【図７】従来から知られている自在継手の第１例を示す、部分切断側面図。
【図８】一部を省略して示す、図７の拡大Ｘ−Ｘ断面図。
【図９】従来から知られている自在継手の第２例を示す、図８のＹ−Ｙ断面に相当する図。
【図１０】従来構造の場合に生じる問題を説明する為の、図１と同様の図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［実施の形態の第１例］
図１〜２は、請求項１、２、４、５に対応する、本発明の実施の形態の第１例を示している。尚、本例の特徴は、十字軸を構成する各軸部の基端部外周面と結合基部の外面である段差面との連続部の形状を工夫する事により、前記十字軸の寸法を大きくせずに、前記各軸部に加わるモーメントに基づいて前記連続部に発生する応力を低く抑えられる構造を実現する点にある。その他の部分の構造及び作用は、前述の図８〜１０に示した従来構造の第２〜３例とほぼ同様であるから、同等部分に関する図示並びに説明は、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。
【００２３】
本例の場合には、十字軸式の自在継手を構成する十字軸１１ａを構成する各軸部１４の基端部外周面と、結合基部１５の外面の一部で、これら各軸部１４の基端部の周囲部分である段差面３０とを、それぞれ断面形状が部分円弧形である凹曲面３１ａにより連続させている。特に本例の自在継手を構成する十字軸１１ａの場合には、これら各凹曲面３１ａを、曲率半径が途中で変化する複合曲面としている。具体的には、これら各凹曲面３１ａのうちの前記段差面３０寄り部分である基半部３２の曲率半径ｒよりも、前記各軸部１４寄り部分である先半部３３の曲率半径Ｒを大きく（ｒ＜Ｒ）している。これら基半部３２と先半部３３とは、それぞれの一端縁同士を互いに滑らかに（互いの接線方向に）連続させると共に、前記基半部３２の他端縁を前記段差面３０と、前記先半部３３の他端縁を前記各軸部１４の外周面と、それぞれ滑らかに（それぞれの接線方向に）連続させている。
【００２４】
上述の様な凹曲面３１ａの加工は、図２に示す様にして、前記各軸部１４の外周面及び前記段差面３０の仕上加工（内輪軌道部分の研削加工を除く）と同時に、１工程で（１度のチャッキングのみで）行う。この為に、旋削加工用のバイト３４として、前記凹曲面３１ａの断面形状に対応した（凹凸が逆で曲率半径が同じ）曲面加工部３５と、直線加工部３６とを備えたものを使用する。このうちの曲面加工部３５は、切削部の形状が、曲率半径が途中で変化する部分凸円弧状で、この凸円弧の曲率半径がこの切削部の先端側（図２の左側）よりも基端側（図２の右側）で大きくなっている。又、前記直線加工部３６は、前記曲面加工部３５の外径側端縁から径方向外方に向けて滑らかに（この曲面加工部３５の外径側端縁から接線方向に）連続したもので、形状が直線状である。本例の場合には、前記直線加工部３６を、前記各軸部１４の中心軸に対し直交する仮想平面上に位置させている。但し、後述する様に、前記段差面３０を部分円すい状の凸面又は凹面とする場合には、前記直線加工部３６を前記仮想平面に対し傾斜させる。
【００２５】
何れにしても、前記バイト３４により、前記各軸部１４の外周面と、前記各凹曲面３１ａと、前記段差面３０とを加工するには、前記バイト３４を前記各軸部１４に対して、それぞれこれら各軸部１４の先端側から基端側に向けて（図２の右から左に）変位させる方向に移動させる。この作業の初期段階乃至中間段階では、前記曲面加工部３５のうちの基端側部分で、前記各軸部１４の外周面を切削する。更に、前記作業の終段で、前記曲面加工部３５により前記各凹曲面３１ａを形成すると同時に、前記直線加工部３６により前記段差面３０に仕上加工を施す。従って、前記バイト３４の刃先の形状の精度さえ確保すれば、容易に、前記十字軸１１ａの外面の形状を精度良く仕上げられる。尚、ラジアル軸受１６の内輪軌道として機能する、前記各軸部１４の外周面の中間部乃至先端部には、これら各軸部１４の外周面を切削してから、前記十字軸１１ａ全体に浸炭焼き入れ等の熱処理を施した後、図示しない砥石を使用して、超仕上等の研削加工を施す。
【００２６】
上述の様にして、それぞれの基端部に前記各凹曲面３１ａを形成した、前記各軸部１４の基端寄り部分に、芯金１８と弾性材１９ａとから成るシールリング１７ａを外嵌支持する。これら各シールリング１７ａの構成は、ラジアルシールリップ２３ａの先端部が二股になっている点以外、前述の図８〜９に示した従来構造とほぼ同様である。前記各シールリング１７ａは、前記弾性材１９ａの基部２２を前記各軸部１４の基端部に締り嵌めで外嵌すると共に、前記芯金１８の円輪部２０の軸方向片側面（図１の左側面）を前記段差面３０に突き当てた状態で、前記各軸部１４の基端部に組み付けている。この状態で、前記円輪部２０の軸方向片側面と前記段差面３０とが、面同士で当接する。尚、この段差面３０のうちで前記凹曲面３１ａの周囲部分と、前記円輪部２０の軸方向片側面とは、前記各軸部１４の中心軸に対し直交する方向に存在する平坦面とする事が、各部の加工を容易にする面からは好ましい。但し、当接状態を安定させる為に、前記段差面３０と前記円輪部２０の軸方向片側面とのうちの一方を部分円すい状の凸面とし、他方を同じ角度だけ傾斜した部分円すい状の凹面とする事もできる。何れの場合でも、十字軸式の自在継手を組み立てた状態では、前記弾性材１９ａのラジアルシールリップ２３ａの先端縁が軸受カップ１３ａの端部外周面に、同じくスラストシールリップ２４が内向鍔部２５の外面に、それぞれ全周に亙って弾性的に当接する。
【００２７】
前記自在継手の伝達効率を良好にすると共に、前記各シールリング１７ａによるシール性能を確保する為には、前記各シールリップ２３ａ、２４の弾性変形量を適正に規制する必要がある。そして、この為には、前記各シールリング１７ａと前記各軸受カップ１３ａとの位置関係を適正に規制する必要がある。このうちの各シールリング１７ａの軸方向位置は、前記円輪部２０の軸方向片側面と前記段差面３０との当接により、適正に規制できる。又、前記各軸受カップ１３ａの軸方向位置は、ヨーク１０ａの円孔１２（図９参照）に対する嵌合位置を調節し、底部２８ａの内面中央部と前記各軸部１４の端面中央部とを当接させる事により規制できる。この為、本例の構造によれば、前記各シールリップ２３ａ、２４の弾性変形量を適正に規制して、前記自在継手の伝達効率を良好にすると共に、前記各シールリング１７ａによるシール性能を確保できる。
【００２８】
更に本例の場合には、前記各軸部１４の基端部外周面と、結合基部１５の外面の一部である段差面３０とを連続させる凹曲面３１ａを、曲率半径Ｒが大きな先半部３３と、曲率半径ｒが小さな基半部３２とから構成している。この為、前記各軸部１４の長さ寸法を徒に大きくしなくても、これら各軸部１４の基端部外周面と前記段差面３０との連続部の強度を確保できる。即ち、これら各軸部１４に加わる倒れ方向のモーメントにより、これら各軸部１４と前記結合基部１５との連続部に加わる力は、前記先半部３３側で前記基半部３２側よりも大きくなる。本例の場合には、この様に大きな力が加わる先半部３３の曲率半径Ｒを大きくしているので、この先半部３３部分に生じる応力を低く抑えられる。曲率半径ｒが小さな前記基半部３２部分は、この先半部３３の周囲に設けられているので、全体としての直径が大きく、その分、前記各軸部１４の中心軸に直交する仮想平面に関する、前記基半部３２部分の断面積は、前記先半部３３部分の断面積に比較して広い。従って、当該部分に生じる応力がその分小さくて済むので、前記凹曲面３１ａ部分全体として、前記倒れ方向のモーメントに基づいて生じる応力を低く抑えられる。
【００２９】
この為、前記自在継手によるトルク伝達時に、前記各軸部１４に加わる、倒れ方向のモーメントに拘らず、これら各軸部１４の基端部外周面と前記段差面３０との連続部に発生する応力を低く抑えられる。この結果、前記各軸部１４の長さ寸法や外径を特に大きくしなくても、大負荷時破壊強度を大きくして、前記連続部に亀裂等の損傷を発生し難くできて、前記十字軸１１ａを組み込んだ十字軸式自在継手の信頼性及び耐久性を確保できる。逆に、必要とする大負荷時破壊強度、延いては信頼性及び耐久性を同じとした場合には、前記十字軸１１ａの寸法を小さく抑えて、この十字軸１１ａを組み込んだ、十字軸式自在継手の小型・軽量化を図れる。
【００３０】
一方、前記倒れ方向のモーメントにより生じる応力が比較的小さくて済む、前記基半部３２の曲率半径ｒを小さくした分、前記各軸部１４の軸方向に関する、前記各凹曲面３１ａの幅寸法ｗを抑えられる。この為、前記各軸部１４の軸方向中間部乃至先端部に存在するラジアル軸受１６の為の内輪軌道の軸方向長さ、及び、前記各シールリング１７ａを構成する弾性材１９ａの基部２２を外嵌する部分の軸方向幅を確保できる。従って、前記十字軸式自在継手のトルク容量を確保すると共に、前記各シールリング１７ａの位置決め性（姿勢の安定化）も図れる。
【００３１】
以上に述べた、本例の構造による作用・効果に就いて、図３により、更に詳しく説明する。
図３のうちの（Ｂ）の構造は、前述の図１０に示した構造に対応するもので、各軸部１４の外周面と段差面３０とを連続させる凹曲面３１の曲率半径ｒが小さい。この様な構造では、前記各軸部１４の軸方向に関するこの凹曲面３１の幅寸法ｗ０を小さくできる代わりに、前述した様に、自在継手によるトルク伝達時に、前記各軸部１４の基端部に生じる応力が大きくなり、小型・軽量化と耐久性確保との両立を図り難い。
又、図３の（Ｃ）に示した構造は、各軸部１４の外周面と段差面３０とを連続させる凹曲面３１ｂの曲率半径Ｒが大きい。この様な構造では、自在継手によるトルク伝達時に、前記各軸部１４の基端部に生じる応力を小さく抑えられる代わりに、前記凹曲面３１の幅寸法Ｗが大きくなり、この凹曲面３１の小径側端部が各軸部１４の先端側に移動する。そして、シールリング１７の基部２２（例えば図８参照）の嵌合強度を確保する為の円筒面部を確保する必要上、前記各軸部１４の全長が長くなるだけでなく、前記凹曲面３１と前記基部２２の干渉を防止しつつ、この基部２２の端面を結合基部１５の段差面３０に当接させる必要上、この基部２２も大型化する。これらにより、十字軸及びシールリングを限られた大きさのヨークに組み付ける事が難しくなり、小型・軽量化を図り難くなる。
これに対して、図３の（Ａ）に示した本例の構造は、トルク伝達時に生じる応力を低く抑えつつ、凹曲面３１ａの幅寸法ｗを、図３の（Ｃ）に示した構造よりも小さく抑えられる。この為、小型・軽量化と強度向上との両立を図る為の設計が容易になる。
【００３２】
［実施の形態の第２例］
図４は、請求項１、３〜５に対応する、本発明の実施の形態の第２例を示している。上述した実施の形態の第１例の構造が、シール性能の高いシールリングを組み込んで成り、車室外（エンジンルーム内）に設置するのに適切な構造であるのに対して、本例の構造は、車室内に設置するのに適切な構造である。この様な本例の十字軸式自在継手の場合には、十字軸１１ａを構成する各軸部１４と各軸受カップ１３ｂとを、これら各軸部１４の軸方向に関する相対変位を可能に組み合わせている。そして、これら各軸部１４に、弾性材製のシールリングであるＯリング３７を外嵌し、これら各Ｏリング３７を、前記各軸受カップ１３ｂの開口部側端面である、この開口部に形成した内向鍔部２５の外側面と、前記十字軸１１ａを構成する段差面３０との間に挟持している。
【００３３】
十字軸式自在継手を組み立てた状態で前記Ｏリング３７は、この段差面３０と前記内向鍔部２５の外側面との間で、軸方向に関して弾性的に圧縮する。又、前記各軸部１４の先端部と前記各軸受カップ１３ｂの内面とは離隔したままとなる。前記十字軸式自在継手によるトルク伝達時に、これら各軸部１４の先端部と各軸受カップ１３ｂとの間に作用するスラスト荷重は、前記各Ｏリング３７が支承する。尚、これら各Ｏリング３７の断面形状は、図６の（Ａ）に示した様な円形に限らず、（Ｂ）に示した様な角形でも良い。
その他の部分の構成及び作用は、上述した実施の形態の第１例と同様であるから、同等部分に関する説明は省略する。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の十字軸式自在継手は、ステアリング装置に限らず、各種トルク伝達機構に組み付けた状態で使用できる。又、各軸部の外周面と結合基部の段差面とを連続させる凹曲面を構成する、互いに曲率半径が異なる複数種類の曲面は、２種類に限らずに３種類以上であっても良い。更には、一端から他端に向けて曲率半径を連続的に変化させても良い。
【符号の説明】
【００３５】
１    ステアリングホイール
２    ステアリングシャフト
３、３ａ、３ｂ  自在継手
４    中間シャフト
５    ステアリングギヤユニット
６    入力軸
７    タイロッド
８    アウタシャフト
９    インナシャフト
１０ａ、１０ｂ  ヨーク
１１、１１ａ  十字軸
１２    円孔
１３、１３ａ、１３ｂ  軸受カップ
１４    軸部
１５    結合基部
１６    ラジアル軸受
１７、１７ａ  シールリング
１８    芯金
１９、１９ａ  弾性材
２０    円輪部
２１    円筒部
２２    基部
２３、２３ａ  ラジアルシールリップ
２４    スラストシールリップ
２５    内向鍔部
２６    挿入孔
２７    ピン
２８、２８ａ  底部
２９    突条
３０    段差面
３１、３１ａ、３１ｂ  凹曲面
３２    基半部
３３    先半部
３４    バイト
３５    曲面加工部
３６    直線加工部
３７    Ｏリング
【図１】
2015187503.tif 000003
【図２】
2015187503.tif 000004
【図３】
2015187503.tif 000005
【図４】
2015187503.tif 000006
【図５】
2015187503.tif 000007
【図６】
2015187503.tif 000008
【図７】
2015187503.tif 000009
【図８】
2015187503.tif 000010
【図９】
2015187503.tif 000011
【図１０】
2015187503.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月5日(2015.8.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばステアリングシャフトの動きをステアリングギヤに伝達する為、自動車のステアリング装置に組み込んだ状態で使用する十字軸式自在継手の改良に関する。具体的には、十字軸を構成する４本の各軸部の基端部の強度を向上させる事により、この十字軸を組み込んだ十字軸式自在継手の信頼性及び耐久性の向上、或いは小型・軽量化を可能にするものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車のステアリング装置は、例えば特許文献１に記載されている如く、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、ステアリングシャフト２、自在継手３ａ、中間シャフト４、別の自在継手３ｂを介して、ステアリングギヤユニット５の入力軸６に伝達される。そして、このステアリングギヤユニット５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７、７を押し引きし、左右１対の操舵輪（一般的には前輪）に、前記ステアリングホイール１の操作量に応じて、適切な舵角を付与する様に構成している。尚、前記中間シャフト４として一般的には、図６に示す様に、アウタシャフト８とインナシャフト９との一端部同士をセレーション係合させる事により、トルクの伝達を可能に、但し、衝突事故の際に全長を収縮可能に構成したものを使用している。前記両自在継手３ａ、３ｂは、前記両シャフト８、９の他端部に結合している。
【０００３】
上述の様なステアリング装置に組み込む自在継手として一般的には、カルダン継手と呼ばれる十字軸継手が、広く使用されている。図７〜８は、前記特許文献１に記載される等により、従来から広く知られている自在継手３の１例を示している。尚、図７〜８に示した構造は、振動の伝達を防止する、所謂防振継手であるが、本発明の対象となる自在継手は、必ずしも防振構造を具備する必要はない。そこで、以下の説明は防振構造を省略して、自在継手３の本体部分の構造に就いて行う。
【０００４】
この自在継手３は、十分な剛性を有する金属材によりそれぞれが二又状に形成された１対のヨーク１０ａ、１０ｂと、軸受鋼の如き合金鋼等の硬質金属により造られた十字軸１１とから構成される。これら両ヨーク１０ａ、１０ｂの両端部には、互いに同心の円孔１２、１２を形成している。そしてこれら各円孔１２、１２に、やはり軸受鋼、肌焼鋼等の硬質金属製の板材により有底円筒状に造られた軸受カップ１３、１３を、互いの開口を対向させた状態で内嵌固定している。又、前記十字軸１１は、１対の柱部の中間部同士を互いに直交させた如き形状を有し、それぞれが円柱状である、４箇所の各軸部１４、１４を有する。即ち、中心部に設けた結合基部１５の円周方向等間隔４箇所位置に、それぞれ前記各軸部１４、１４の基端部を結合固定している。これら各軸部１４、１４の中心軸は、同一平面上に存在する。
【０００５】
この様な各軸部１４、１４の軸方向中間部乃至先端部は、前記各軸受カップ１３、１３内に挿入している。そして、これら各軸受カップ１３、１３の内周面と前記各軸部１４、１４の先半部外周面との間に、ニードル軸受等のラジアル軸受１６、１６を設け、前記十字軸１１に対して前記両ヨーク１０ａ、１０ｂが、軽い力で揺動変位する様にしている。この様に構成する為、これら両ヨーク１０ａ、１０ｂの中心軸同士が一致しない状態でも、これら両ヨーク１０ａ、１０ｂの間で回転力の伝達を、伝達ロスを僅少に抑えた状態で行える。
【０００６】
上述の様な自在継手３を車室外に設置する（図５で下側の自在継手３ｂとして利用する）場合には、前記十字軸１１を構成する前記各軸部１４、１４の基端部（前記結合基部１５側の端部）と前記各軸受カップ１３、１３の開口部との間に、それぞれシールリング１７、１７を設ける。そして、これら各シールリング１７、１７により、前記各ラジアル軸受１６、１６の設置部分に泥水等が進入するのを防止し、前記自在継手３の耐久性の確保を図る。前記各シールリング１７、１７はそれぞれ、金属製で円環状の芯金１８と、ゴムの如きエラストマー製の弾性材１９とから成る。このうちの芯金１８は、軟鋼板等の金属板を曲げ形成する事により、断面Ｌ字形で全体を円環状に形成したもので、円輪部２０と、この円輪部２０の内周縁側から前記各軸部１４、１４の先端側に向けて折れ曲がった円筒部２１とから成る、断面Ｌ字形としている。又、前記弾性材１９は、前記芯金１８を包埋する事でこの芯金１８により補強された基部２２と、この基部２２から延出した、それぞれが特許請求の範囲に記載したシールリップである、ラジアルシールリップ２３及びスラストシールリップ２４から成る。
【０００７】
それぞれがこの様な構成を有する、前記各シールリング１７、１７は、前記芯金１８を包埋した基部を前記各軸部１４、１４の基端部に締り嵌めで（弾性材１９の一部を弾性変形させた状態で）外嵌する事により、これら各軸部１４、１４の基端部に、嵌合部のシール性を確保した状態で支持している。この様にこれら各軸部１４、１４の基端部に前記各シールリング１７、１７を支持し、前記十字軸１１と前記各軸受カップ１３、１３とを組み合わせた状態で、前記各シールリップ２３、２４のうちのラジアルシールリップ２３のシール縁は、前記各軸受カップ１３、１３の外周面のうちで開口寄り端部に、全周に亙り弾性的に当接する。又、前記スラストシールリップ２４のシール縁は、前記各軸受カップ１３、１３の開口部に形成された内向鍔部２５の外面（前記結合基部１５に対向する面）に、全周に亙り弾性的に当接する。
【０００８】
更に、前記各軸部１４、１４の中心部にはそれぞれ有底の挿入孔２６、２６を、これら各軸部１４、１４の先端面に開口する状態で、前記各軸部１４、１４の軸方向に形成している。そして、これら各挿入孔２６、２６の内側に、合成樹脂製のピン２７、２７を挿入している。これら各ピン２７、２７は、前記各軸受カップ１３、１３と前記各軸部１４、１４との間で突っ張る事により、これら各軸受カップ１３、１３の開口端部と前記基部２２との距離が縮まり過ぎる事を防止する。そして、前記各シーリング１５、１５のスラストシールリップ２４が過度に圧縮されたり、反対に圧縮量が低下し過ぎる事を防止する。即ち、自在継手３の使用時に前記十字軸１１と前記各軸受カップ１３、１３との間に加わるスラスト荷重に基づき、スラスト荷重作用側（アンカ側）のシールリング１７が過度に圧縮されて耐久性が損なわれ、反対側（反アンカ側）のシールリング１７の圧縮量が低下し過ぎて、このシールリング１７によるシール性が損なわれる事を防止する。
【０００９】
但し、上述の様なピン２７、２７を設けない、十字軸式の自在継手に就いても、従来から広く知られている。即ち、図９に示した従来構造の第２例の如く、軸受カップ１３ａの底部２８の内面中央寄り部分に突条２９、２９を形成し、これら各突条２９、２９の先端縁を、十字軸１１を構成する各軸部１４の先端面に当接させている。この様な構造によっても、自在継手の構成部材の寸法精度及び組立精度を確保さえすれば、前記軸受カップ１３ａと前記各軸部１４との間に設けるシールリング１７の圧縮量を適性範囲に保持できる。
【００１０】
何れの構造の場合でも、十字軸１１を構成する各軸部１４、１４の基端部にシールリング１７、１７を、締り嵌めで外嵌支持する。そして、これら各軸部１４、１４に対するこれら各シールリング１７、１７の位置決めを適正にする事が、十字軸式の自在継手３の変位抵抗を抑えると共に、これら各シールリング１７、１７のシール性能を確保する面から重要になる。これらの事を考慮すると、図７〜９に示した従来構造では、十字軸式自在継手に関して、十分な信頼性及び耐久性を確保しつつ、小型・軽量化を図る事が難しい。この点に就いて、図１０を参照しつつ説明する。
【００１１】
十字軸１１を構成する各軸部１４のうち、軸方向中間部乃至先端部である、図１０のＬ範囲部分は、ラジアル軸受１６（図７〜９参照）の内輪軌道としての役目を有する為、超仕上等の研削加工を施す。十字軸式自在継手によるトルク伝達は、前記ラジアル軸受１６を介して行うので、伝達可能なトルク（トルク容量）を確保する必要上、前記Ｌ範囲の長さ寸法は或る程度必要である。又、このＬ範囲で表された内輪軌道部分よりも基端寄り部分には、シールリング１７の基部２２を外嵌支持する。この支持力を十分に確保する為、及び、この嵌合部のシール性を確保する為には、前記各軸部１４と前記基部２２との嵌合幅Ｗを、或る程度以上確保する必要がある。又、これら基部２２と各軸部１４とを嵌合させた状態で、この基部２２に包埋した芯金１８の円輪部２０の片面を、前記十字軸１１を構成する、前記結合基部１５の外面である段差面３０に当接させて、前記各軸部１４の軸方向に関する、前記シールリング１７の位置決めを図る。この位置決めの精度を確保する為には、前記円輪部２０の片面と前記段差面３０との当接状態を安定させる必要上、これら両面同士を均一に当接させる必要がある。
【００１２】
以上の事を考慮し、しかも、前記十字軸１１の全長を少しでも短く抑えて、この十字軸１１を組み込んだ自在継手３（図５〜９参照）の小型・軽量化を図る為に従来は、図１０に示す様に、前記各軸部１４の外周面と前記段差面３０とを連続させる凹曲面３１の曲率半径を小さくしていた。一方、前記自在継手３によりトルクを伝達する際に、前記各軸部１４と前記結合基部１５との連続部には、この結合基部１５に対しこの各軸部１４を倒す方向のモーメントが、繰り返し加わる。そして、このモーメントにより、前記凹曲面３１部分に応力が加わる。この応力の大きさは、この凹曲面３１の断面形状の曲率半径が小さい程、又、前記各軸部１４の外径が小さい程、それぞれ大きくなる。従って、前記凹曲面３１部分に亀裂等の損傷が発生するのを防止すべく、この凹曲面３１部分に加わる応力を低く抑える為には、前記凹曲面３１の断面形状の曲率半径を大きくするか、又は、前記各軸部１４の外径を大きくする必要があり、自在継手３の小型・軽量化を図る面からは不利になる。
【００１３】
特許文献２には、十字軸の各軸部の全長を確保して、この各軸部がヨークの円孔から抜け出難くする為、この各軸部の先端部に面取り部を設ける発明が記載されている。この様な特許文献２に記載された発明の構造によれば、大きなトルク伝達時に於ける、十字軸とヨークとの分離防止を図るべく、この十字軸を構成する各軸部の全長を長くした場合でも、この十字軸をヨークに組み込む事ができる。但し、前記特許文献２に記載された発明の構造にしても、前記図１０により説明した様な理由で、大きな負荷が加わった場合に於ける破壊強度（大負荷時破壊強度）を大きくし難く、信頼性及び耐久性の確保と、小型・軽量化との両立を図り難い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１０−１８１０１６号公報
【特許文献２】特開平１１−０３７１７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上述の様な事情に鑑みて、大負荷時破壊強度を大きくして、信頼性及び耐久性の確保と、小型・軽量化との両立を図り易い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】
【００１６】
本発明の十字軸式自在継手は、１対のヨークと、４個の円孔と、４個の軸受カップと、十字軸と、４組のラジアル軸受とを備える。
このうちの１対のヨークは、それぞれが二股状に形成されている。
又、前記各円孔は、これら両ヨークの両端部に、互いに同心に形成されている。
又、前記各軸受カップは、それぞれが有底円筒状で、互いの開口を対向させた状態で、前記各円孔の内側に内嵌固定されている。
又、前記十字軸は、結合基部の外周面に４本の各軸部を放射状に固設して成る。そして、これら各軸部を前記各軸受カップ内に挿入した状態で、前記両ヨークと組み合わされている。
更に、前記各ラジアル軸受は、前記各軸部の外周面と前記各軸受カップの内周面との間に設けられている。
【００１７】
特に、本発明の十字軸式自在継手に於いては、前記十字軸を構成する前記各軸部の基端部外周面と前記結合基部の外面である段差面とを、それぞれ断面形状が円弧形で、曲率半径が途中で変化する凹曲面により連続させている。そして、これら各凹曲面のうちの前記段差面寄り部分の曲率半径よりも、前記各軸部寄り部分の曲率半径を大きくしている。
【００１８】
又、本発明の場合には、追加的に、前記各軸部の基端部にそれぞれの基部を外嵌支持された状態で、これら各軸部の基端部と前記各軸受カップの開口部との間に、４個のシールリングを設けている。
そして、前記各シールリングを、金属製で円環状の芯金と、この芯金を包埋する事で補強された基部及びこの基部から延出したシールリップを備えた弾性材とから成るものとし、このうちの基部を前記各軸部の基端部に外嵌支持すると共に、前記各シールリップを前記各軸受カップの外面に全周に亙って当接させた状態で、前記十字軸と前記両ヨークとの間に組み付けている。
又、前記各段差面と、前記各シールリングを構成する芯金のうちでこれら各段差面に突き当てられる円輪部の軸方向片側面とのうち、一方を部分円すい状の凸面とし、他方をこの凸面と同じ角度だけ傾斜した部分円すい状の凹面としている。
【００１９】
この様な本発明の十字軸式自在継手を実施する場合、具体的には、例えば請求項２に記載した発明の様に、前記十字軸を構成する前記各軸部と前記各軸受カップとを、これら各軸部の軸方向に関する相対変位を実質的に抑えた状態で（構成部材の弾性変形に基く僅かな相対変位を除き阻止した状態で）組み合わせる。
又、本発明の範囲からは外れるが、前記十字軸を構成する前記各軸部と前記各軸受カップとを、これら各軸部の軸方向に関する相対変位を可能に組み合わせる事ができる。そして、これら各軸部に、弾性材製のシールリングを外嵌し、これら各シールリングを、前記各軸受カップの開口部側端面と、前記十字軸の段差面との間で、軸方向に関して弾性的に圧縮した状態で挟持する。
【００２０】
又、本発明の十字軸式自在継手に用いる十字軸を製造する場合には、前記各軸部の外周面と前記結合基部の外面である段差面との連続部に旋削による仕上加工を施す際に、切削部の形状が、曲率半径が途中で変化する部分凸円弧状で、この凸円弧の曲率半径がこの切削部の先端側よりも基端側で大きくなった曲面加工部を備えたバイトを使用する。そして、このバイトを前記各軸部に対して、それぞれこれら各軸部の先端側から基端側に向けて変位させる方向に移動させる。この作業により、前記十字軸を構成する前記各軸部の基端部外周面と前記結合基部の外面である段差面との連続部に、それぞれ断面形状が円弧形で、前記段差面寄り部分の曲率半径よりも、前記各軸部寄り部分の曲率半径を大きい凹曲面を形成する。
更に、前記バイトとして先端縁に直線加工部を設けたものを使用する。そして、前記曲面加工部により前記各凹曲面に仕上加工を施すと同時に、前記直線加工部により前記段差面に仕上加工を施す事もできる。
この様な製造方法によれば、前記各凹曲面を能率良く形成できて、高性能の十字軸式自在継手を低コストで得られる。
【発明の効果】
【００２１】
前述の様に構成する本発明の十字軸式自在継手によれば、大負荷時破壊強度を大きくして、信頼性及び耐久性の確保と、小型・軽量化との両立を図り易い構造を実現できる。
即ち、本発明の十字軸式自在継手の場合には、十字軸を構成する結合基部の外面である段差面と各軸部の基端部外周面とを、それぞれ断面形状が部分円弧形で、これら各軸部寄り部分の曲率半径を大きくした、凹曲面により連続させている。これら各凹曲面の曲率半径が、前記各軸部寄り部分で大きい事は、トルク伝達時にこれら各軸部に加わる、倒れ方向のモーメントに拘らず、これら各軸部の基端部外周面と段差面との連続部に発生する応力を低く抑えられる事に繋がる。又、前記段差面寄り部分の曲率半径を小さく抑える事は、前記各軸部の軸方向に関する、前記各凹曲面の幅寸法を抑え、これら各軸部の中間部乃至先端部に存在する内輪軌道の軸方向長さ、及び、シールリングを装着可能な部分の軸方向幅を確保できる事に繋がる。この結果、前記各軸部の長さ寸法や外径を特に大きくしなくても、前記連続部に亀裂等の損傷を発生し難くできて（大負荷時破壊強度を大きくして）、前記十字軸を組み込んだ十字軸式自在継手の信頼性及び耐久性を確保できる。言い換えれば、必要とする信頼性及び耐久性を同じとした場合には、前記十字軸の寸法を小さく抑えて、この十字軸を組み込んだ、十字軸式自在継手の小型・軽量化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態の第１例を、十字軸及びシールリングを取り出した状態で示す部分断面図。
【図２】各軸部の基端部外周面と結合基部の外面である段差面との連続部に凹曲面を形成する状態を示す部分断面図。
【図３】本発明の曲率半径の関係を満たす凹曲面（Ａ）と、本発明の曲率半径の関係を満たさない凹曲面（Ｂ）（Ｃ）とを示す部分断面図。
【図４】本発明に関する参考例を示す、図１と同様の図（Ａ）及びシールリングの別例を示す部分断面図（Ｂ）。
【図５】自在継手を組み込んだステアリング装置の１例を示す斜視図。
【図６】両端部に十字軸式自在継手を装着した中間シャフトを示す、部分切断側面図。
【図７】従来から知られている自在継手の第１例を示す、部分切断側面図。
【図８】一部を省略して示す、図７の拡大Ｘ−Ｘ断面図。
【図９】従来から知られている自在継手の第２例を示す、図８のＹ−Ｙ断面に相当する図。
【図１０】従来構造の場合に生じる問題を説明する為の、図１と同様の図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［実施の形態の第１例］
図１〜２は、請求項１、２に対応する、本発明の実施の形態の第１例を示している。尚、本例の特徴は、十字軸を構成する各軸部の基端部外周面と結合基部の外面である段差面との連続部の形状を工夫する事により、前記十字軸の寸法を大きくせずに、前記各軸部に加わるモーメントに基づいて前記連続部に発生する応力を低く抑えられる構造を実現する点にある。その他の部分の構造及び作用は、前述の図８〜１０に示した従来構造の第２〜３例とほぼ同様であるから、同等部分に関する図示並びに説明は、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。
【００２４】
本例の場合には、十字軸式の自在継手を構成する十字軸１１ａを構成する各軸部１４の基端部外周面と、結合基部１５の外面の一部で、これら各軸部１４の基端部の周囲部分である段差面３０とを、それぞれ断面形状が部分円弧形である凹曲面３１ａにより連続させている。特に本例の自在継手を構成する十字軸１１ａの場合には、これら各凹曲面３１ａを、曲率半径が途中で変化する複合曲面としている。具体的には、これら各凹曲面３１ａのうちの前記段差面３０寄り部分である基半部３２の曲率半径ｒよりも、前記各軸部１４寄り部分である先半部３３の曲率半径Ｒを大きく（ｒ＜Ｒ）している。これら基半部３２と先半部３３とは、それぞれの一端縁同士を互いに滑らかに（互いの接線方向に）連続させると共に、前記基半部３２の他端縁を前記段差面３０と、前記先半部３３の他端縁を前記各軸部１４の外周面と、それぞれ滑らかに（それぞれの接線方向に）連続させている。
【００２５】
上述の様な凹曲面３１ａの加工は、図２に示す様にして、前記各軸部１４の外周面及び前記段差面３０の仕上加工（内輪軌道部分の研削加工を除く）と同時に、１工程で（１度のチャッキングのみで）行う。この為に、旋削加工用のバイト３４として、前記凹曲面３１ａの断面形状に対応した（凹凸が逆で曲率半径が同じ）曲面加工部３５と、直線加工部３６とを備えたものを使用する。このうちの曲面加工部３５は、切削部の形状が、曲率半径が途中で変化する部分凸円弧状で、この凸円弧の曲率半径がこの切削部の先端側（図２の左側）よりも基端側（図２の右側）で大きくなっている。又、前記直線加工部３６は、前記曲面加工部３５の外径側端縁から径方向外方に向けて滑らかに（この曲面加工部３５の外径側端縁から接線方向に）連続したもので、形状が直線状である。本例の場合には、前記直線加工部３６を、前記各軸部１４の中心軸に対し直交する仮想平面上に位置させている。但し、後述する様に、前記段差面３０を部分円すい状の凸面又は凹面とする場合には、前記直線加工部３６を前記仮想平面に対し傾斜させる。
【００２６】
何れにしても、前記バイト３４により、前記各軸部１４の外周面と、前記各凹曲面３１ａと、前記段差面３０とを加工するには、前記バイト３４を前記各軸部１４に対して、それぞれこれら各軸部１４の先端側から基端側に向けて（図２の右から左に）変位させる方向に移動させる。この作業の初期段階乃至中間段階では、前記曲面加工部３５のうちの基端側部分で、前記各軸部１４の外周面を切削する。更に、前記作業の終段で、前記曲面加工部３５により前記各凹曲面３１ａを形成すると同時に、前記直線加工部３６により前記段差面３０に仕上加工を施す。従って、前記バイト３４の刃先の形状の精度さえ確保すれば、容易に、前記十字軸１１ａの外面の形状を精度良く仕上げられる。尚、ラジアル軸受１６の内輪軌道として機能する、前記各軸部１４の外周面の中間部乃至先端部には、これら各軸部１４の外周面を切削してから、前記十字軸１１ａ全体に浸炭焼き入れ等の熱処理を施した後、図示しない砥石を使用して、超仕上等の研削加工を施す。
【００２７】
上述の様にして、それぞれの基端部に前記各凹曲面３１ａを形成した、前記各軸部１４の基端寄り部分に、芯金１８と弾性材１９ａとから成るシールリング１７ａを外嵌支持する。これら各シールリング１７ａの構成は、ラジアルシールリップ２３ａの先端部が二股になっている点以外、前述の図８〜９に示した従来構造とほぼ同様である。前記各シールリング１７ａは、前記弾性材１９ａの基部２２を前記各軸部１４の基端部に締り嵌めで外嵌すると共に、前記芯金１８の円輪部２０の軸方向片側面（図１の左側面）を前記段差面３０に突き当てた状態で、前記各軸部１４の基端部に組み付けている。この状態で、前記円輪部２０の軸方向片側面と前記段差面３０とが、面同士で当接する。尚、この段差面３０のうちで前記凹曲面３１ａの周囲部分と、前記円輪部２０の軸方向片側面とは、前記各軸部１４の中心軸に対し直交する方向に存在する平坦面とする事が、各部の加工を容易にする面からは好ましい。但し、当接状態を安定させる為に、前記段差面３０と前記円輪部２０の軸方向片側面とのうちの一方を部分円すい状の凸面とし、他方を同じ角度だけ傾斜した部分円すい状の凹面とする事もできる。何れの場合でも、十字軸式の自在継手を組み立てた状態では、前記弾性材１９ａのラジアルシールリップ２３ａの先端縁が軸受カップ１３ａの端部外周面に、同じくスラストシールリップ２４が内向鍔部２５の外面に、それぞれ全周に亙って弾性的に当接する。
【００２８】
前記自在継手の伝達効率を良好にすると共に、前記各シールリング１７ａによるシール性能を確保する為には、前記各シールリップ２３ａ、２４の弾性変形量を適正に規制する必要がある。そして、この為には、前記各シールリング１７ａと前記各軸受カップ１３ａとの位置関係を適正に規制する必要がある。このうちの各シールリング１７ａの軸方向位置は、前記円輪部２０の軸方向片側面と前記段差面３０との当接により、適正に規制できる。又、前記各軸受カップ１３ａの軸方向位置は、ヨーク１０ａの円孔１２（図９参照）に対する嵌合位置を調節し、底部２８ａの内面中央部と前記各軸部１４の端面中央部とを当接させる事により規制できる。この為、本例の構造によれば、前記各シールリップ２３ａ、２４の弾性変形量を適正に規制して、前記自在継手の伝達効率を良好にすると共に、前記各シールリング１７ａによるシール性能を確保できる。
【００２９】
更に本例の場合には、前記各軸部１４の基端部外周面と、結合基部１５の外面の一部である段差面３０とを連続させる凹曲面３１ａを、曲率半径Ｒが大きな先半部３３と、曲率半径ｒが小さな基半部３２とから構成している。この為、前記各軸部１４の長さ寸法を徒に大きくしなくても、これら各軸部１４の基端部外周面と前記段差面３０との連続部の強度を確保できる。即ち、これら各軸部１４に加わる倒れ方向のモーメントにより、これら各軸部１４と前記結合基部１５との連続部に加わる力は、前記先半部３３側で前記基半部３２側よりも大きくなる。本例の場合には、この様に大きな力が加わる先半部３３の曲率半径Ｒを大きくしているので、この先半部３３部分に生じる応力を低く抑えられる。曲率半径ｒが小さな前記基半部３２部分は、この先半部３３の周囲に設けられているので、全体としての直径が大きく、その分、前記各軸部１４の中心軸に直交する仮想平面に関する、前記基半部３２部分の断面積は、前記先半部３３部分の断面積に比較して広い。従って、当該部分に生じる応力がその分小さくて済むので、前記凹曲面３１ａ部分全体として、前記倒れ方向のモーメントに基づいて生じる応力を低く抑えられる。
【００３０】
この為、前記自在継手によるトルク伝達時に、前記各軸部１４に加わる、倒れ方向のモーメントに拘らず、これら各軸部１４の基端部外周面と前記段差面３０との連続部に発生する応力を低く抑えられる。この結果、前記各軸部１４の長さ寸法や外径を特に大きくしなくても、大負荷時破壊強度を大きくして、前記連続部に亀裂等の損傷を発生し難くできて、前記十字軸１１ａを組み込んだ十字軸式自在継手の信頼性及び耐久性を確保できる。逆に、必要とする大負荷時破壊強度、延いては信頼性及び耐久性を同じとした場合には、前記十字軸１１ａの寸法を小さく抑えて、この十字軸１１ａを組み込んだ、十字軸式自在継手の小型・軽量化を図れる。
【００３１】
一方、前記倒れ方向のモーメントにより生じる応力が比較的小さくて済む、前記基半部３２の曲率半径ｒを小さくした分、前記各軸部１４の軸方向に関する、前記各凹曲面３１ａの幅寸法ｗを抑えられる。この為、前記各軸部１４の軸方向中間部乃至先端部に存在するラジアル軸受１６の為の内輪軌道の軸方向長さ、及び、前記各シールリング１７ａを構成する弾性材１９ａの基部２２を外嵌する部分の軸方向幅を確保できる。従って、前記十字軸式自在継手のトルク容量を確保すると共に、前記各シールリング１７ａの位置決め性（姿勢の安定化）も図れる。
【００３２】
以上に述べた、本例の構造による作用・効果に就いて、図３により、更に詳しく説明する。
図３のうちの（Ｂ）の構造は、前述の図１０に示した構造に対応するもので、各軸部１４の外周面と段差面３０とを連続させる凹曲面３１の曲率半径ｒが小さい。この様な構造では、前記各軸部１４の軸方向に関するこの凹曲面３１の幅寸法ｗ０を小さくできる代わりに、前述した様に、自在継手によるトルク伝達時に、前記各軸部１４の基端部に生じる応力が大きくなり、小型・軽量化と耐久性確保との両立を図り難い。
又、図３の（Ｃ）に示した構造は、各軸部１４の外周面と段差面３０とを連続させる凹曲面３１ｂの曲率半径Ｒが大きい。この様な構造では、自在継手によるトルク伝達時に、前記各軸部１４の基端部に生じる応力を小さく抑えられる代わりに、前記凹曲面３１の幅寸法Ｗが大きくなり、この凹曲面３１の小径側端部が各軸部１４の先端側に移動する。そして、シールリング１７の基部２２（例えば図８参照）の嵌合強度を確保する為の円筒面部を確保する必要上、前記各軸部１４の全長が長くなるだけでなく、前記凹曲面３１と前記基部２２の干渉を防止しつつ、この基部２２の端面を結合基部１５の段差面３０に当接させる必要上、この基部２２も大型化する。これらにより、十字軸及びシールリングを限られた大きさのヨークに組み付ける事が難しくなり、小型・軽量化を図り難くなる。
これに対して、図３の（Ａ）に示した本例の構造は、トルク伝達時に生じる応力を低く抑えつつ、凹曲面３１ａの幅寸法ｗを、図３の（Ｃ）に示した構造よりも小さく抑えられる。この為、小型・軽量化と強度向上との両立を図る為の設計が容易になる。
【００３３】
［参考例］
図４は、本発明に関する参考例を示している。上述した実施の形態の第１例の構造が、シール性能の高いシールリングを組み込んで成り、車室外（エンジンルーム内）に設置するのに適切な構造であるのに対して、本参考例の構造は、車室内に設置するのに適切な構造である。この様な本参考例の十字軸式自在継手の場合には、十字軸１１ａを構成する各軸部１４と各軸受カップ１３ｂとを、これら各軸部１４の軸方向に関する相対変位を可能に組み合わせている。そして、これら各軸部１４に、弾性材製のシールリングであるＯリング３７を外嵌し、これら各Ｏリング３７を、前記各軸受カップ１３ｂの開口部側端面である、この開口部に形成した内向鍔部２５の外側面と、前記十字軸１１ａを構成する段差面３０との間に挟持している。
【００３４】
十字軸式自在継手を組み立てた状態で前記Ｏリング３７は、この段差面３０と前記内向鍔部２５の外側面との間で、軸方向に関して弾性的に圧縮する。又、前記各軸部１４の先端部と前記各軸受カップ１３ｂの内面とは離隔したままとなる。前記十字軸式自在継手によるトルク伝達時に、これら各軸部１４の先端部と各軸受カップ１３ｂとの間に作用するスラスト荷重は、前記各Ｏリング３７が支承する。尚、これら各Ｏリング３７の断面形状は、図６の（Ａ）に示した様な円形に限らず、（Ｂ）に示した様な角形でも良い。
その他の部分の構成及び作用は、上述した実施の形態の第１例と同様であるから、同等部分に関する説明は省略する。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の十字軸式自在継手は、ステアリング装置に限らず、各種トルク伝達機構に組み付けた状態で使用できる。又、各軸部の外周面と結合基部の段差面とを連続させる凹曲面を構成する、互いに曲率半径が異なる複数種類の曲面は、２種類に限らずに３種類以上であっても良い。更には、一端から他端に向けて曲率半径を連続的に変化させても良い。
【符号の説明】
【００３６】
１    ステアリングホイール
２    ステアリングシャフト
３、３ａ、３ｂ  自在継手
４    中間シャフト
５    ステアリングギヤユニット
６    入力軸
７    タイロッド
８    アウタシャフト
９    インナシャフト
１０ａ、１０ｂ  ヨーク
１１、１１ａ  十字軸
１２    円孔
１３、１３ａ、１３ｂ  軸受カップ
１４    軸部
１５    結合基部
１６    ラジアル軸受
１７、１７ａ  シールリング
１８    芯金
１９、１９ａ  弾性材
２０    円輪部
２１    円筒部
２２    基部
２３、２３ａ  ラジアルシールリップ
２４    スラストシールリップ
２５    内向鍔部
２６    挿入孔
２７    ピン
２８、２８ａ  底部
２９    突条
３０    段差面
３１、３１ａ、３１ｂ  凹曲面
３２    基半部
３３    先半部
３４    バイト
３５    曲面加工部
３６    直線加工部
３７    Ｏリング
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが二股状に形成された１対のヨークと、これら両ヨークの両端部に互いに同心に形成された４個の円孔と、互いの開口を対向させた状態でこれら各円孔の内側に内嵌固定された、それぞれが有底円筒状である４個の軸受カップと、結合基部の外周面に４本の各軸部を放射状に固設して成り、これら各軸部をこれら各軸受カップ内に挿入した状態で前記両ヨークと組み合わされた十字軸と、これら各軸部の外周面とこれら各軸受カップの内周面との間に設けられた４組のラジアル軸受と、これら各軸部の基端部にそれぞれの基部を外嵌支持された状態で、これら各軸部の基端部と前記各軸受カップの開口部との間に設けられた４個のシールリングとを備えた十字軸式自在継手に於いて、
前記十字軸を構成する前記各軸部の基端部外周面と前記結合基部の外面である段差面とを、それぞれ断面形状が円弧形で、曲率半径が途中で変化する凹曲面により連続させており、これら各凹曲面のうちの前記段差面寄り部分の曲率半径よりも、前記各軸部寄り部分の曲率半径を大きくしており、
前記各シールリングは、金属製で円環状の芯金と、この芯金を包埋する事で補強された基部及びこの基部から延出したシールリップを備えた弾性材とから成るもので、このうちの基部を前記各軸部の基端部に外嵌支持すると共に、前記各シールリップを前記各軸受カップの外面に全周に亙って当接させた状態で、前記十字軸と前記両ヨークとの間に組み付けられており、
前記各段差面と、前記各シールリングを構成する芯金のうちでこれら各段差面に突き当てられる円輪部の軸方向片側面とのうち、一方が部分円すい状の凸面であり、他方がこの凸面と同じ角度だけ傾斜した部分円すい状の凹面である、
事を特徴とする十字軸式自在継手。
【請求項２】
前記十字軸を構成する前記各軸部と前記各軸受カップとが、これら各軸部の軸方向に関する相対変位を実質的に抑えた状態で組み合わされている、請求項１に記載した十字軸式自在継手。