(57)【要約】ユニバーサルジョイントにおいて、スパイダーアームの揺動運動に対する抵抗負荷が揺動角β＝０°のとき最大となり、これから外れるに従い次第に小さくなる抵抗付加機構を設ける。これにより入出力軸間の伝達トルクの変動が抑制される。さらにこのユニバーサルジョイントを自動車ステアリング装置に使用すれば、操舵フィーリングが改善される。  前記抵抗付加機構は、スパイダーアーム（３１１）の端面に形成されたカム面（７６）とベアリングカップのカップ底の軸心から偏心した位置に形成され、前記カム面に接触する係合突起（７５）とにより構成される。また前記抵抗付加機構を、何れも略楕円形状であるヨーク孔（７１）内面とスパイダーアーム（３１１）先端部とで構成することも可能である。
2004113752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力軸、
上記入力軸に備えられた一対のヨークアーム、
出力軸、
上記出力軸に備えられた一対のヨークアーム、
十字状に直交する４つのスパイダーアームを持つ十字部材、
上記スパイダーアームのうちの互いに反対側にある２つの先端部と上記入力軸の２つのヨークアームとの間にそれぞれ設けられた２つの軸受、及び、
上記スパイダーアームのうちの互いに反対側にある残る２つの先端部と上記出力軸の２つのヨークアームとの間にそれぞれ設けられた２つの軸受、
からなるユニバーサルジョイントにおいて、
上記入力軸の軸心線と上記出力軸の軸心線を含む平面に上記２つのスパイダーアームの軸心線が含まれるとき、このスパイダーアームの揺動運動に対して最大の抵抗負荷を生じさせる抵抗付加機構が備えられていること
を特徴とするユニバーサルジョイント。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載されたユニバーサルジョイントにおいて、
上記抵抗付加機構は、上記軸受の内の少なくとも一つを揺動角度に対応して抵抗負荷が変動する軸受とすることによって構成されていること
を特徴とするユニバーサルジョイント。
【請求項３】
請求の範囲第２項に記載されたユニバーサルジョイントにおいて、
上記抵抗付加機構を構成する軸受は、上記ヨークアームに形成された略楕円形状のヨーク孔と上記スパイダーアームの略楕円形状の先端部とで形成されていること
を特徴とするユニバーサルジョイント。
【請求項４】
請求の範囲第３項に記載されたユニバーサルジョイントにおいて、
上記ヨークアームに形成された略楕円形状のヨーク孔にはベアリングカップが圧入されており、このベアリングカップの内面と上記スパイダーアームの略楕円形状の先端部との間には複数のニードルが介在していること
を特徴とするユニバーサルジョイント。
【請求項５】
請求の範囲第１項に記載されたユニバーサルジョイントにおいて、
上記抵抗付加機構は、上記スパイダーアームの端面に形成されたカム面とこれに接触する上記ヨークアームに設けられた係合突起からなること
を特徴とするユニバーサルジョイント。
【請求項６】
請求の範囲第５項に記載されたユニバーサルジョイントにおいて、
上記ヨークアームに形成された円形のヨーク孔にはベアリングカップが圧入されており、このベアリングカップの内面と上記スパイダーアームの円形状の先端部との間には複数のニードルが介在しており、上記ベアリングカップのカップ底に上記係合突起が形成されていること
を特徴とするユニバーサルジョイント。
【請求項７】
請求の範囲第１項から請求の範囲第６項までのいずれかに記載されたユニバーサルジョイントにおいて、
上記抵抗付加機構が、入力軸側と出力軸側のうちのいずれか一方の側に設けられていること
を特徴とするユニバーサルジョイント。
【請求項８】
請求の範囲第１項から請求の範囲第６項までのいずれかに記載されたユニバーサルジョイントにおいて、
上記抵抗付加機構が、入力軸側と出力軸側の両方に設けられていること
を特徴とするユニバーサルジョイント。
【請求項９】
請求の範囲第１項から請求の範囲第８項までのいずれかに記載されたユニバーサルジョイントをステアリングコラムから車体側操舵機構までの間に介在させたことを特徴とする自動車用ステアリング装置。
【請求項１０】
請求の範囲第１項から請求の範囲第８項までのいずれかに記載された実質的に等しい交差角を持つユニバーサルジョイントを２つ備えるとともに中間軸を備えており、一方のユニバーサルジョイントはその出力軸を上記中間軸とし、他方のユニバーサルジョイントはこの中間軸を入力軸としていること
を特徴とする自動車用ユニバーサルジョイント組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】    本発明は、ユニバーサルジョイント、特に自動車ステアリング装置に適したユニバーサルジョイントに関する。
【背景技術】    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。
図１は、従来のユニバーサルジョイント１０の概要を説明するための模式図である。２つの軸（入力軸１及びこれと交差角αで交差する出力軸２）は、それぞれヨーク１１、２１を備えており、各ヨークは２本のヨークアーム１１１、１１１、及び、２１１、２１１をそれぞれ備えている。２つのヨークは、十字状に直交する４つのスパイダーアーム３１１、３１１、３２１、３２１を持つ十字部材３を介して結合されている。互いに反対側にあるスパイダーアーム３１１、３１１は１組をなし、それぞれ軸受４１１、４１１によって入力軸１側のヨークアーム１１１、１１１に、また、もう一組のスパイダーアーム３２１、３２１は軸受４２１、４２１によって出力軸２側のヨークアーム２１１、２１１に、それぞれ回転自在に軸受されている。
ユニバーサルジョイントでは、入力軸１が１回転すると出力軸２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、各１回転内においては、入力軸１の回転角毎に出力軸２の瞬間的な角速度が異なる。瞬間的な角速度が異なることから、伝達されるトルク比が１回転内で変動することになり、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。
このため、通常、２つのユニバーサルジョイントが対にして使用される。この場合それぞれの交差角を実質的に同一とし、かつ一方のユニバーサルジョイントに対し、他方のユニバーサルジョイントを所定の角度だけ位相をずらすことにより、伝達トルクの変動を相殺させるようにしている。これは周知の技術である。
しかし、原理上はそうであるとしても、実際上は、ユニバーサルジョイント自体が持っている回転抵抗によって伝達トルク比に変動が発生する。これは次の理由による。十字部材３がヨークアーム１１１、２１１に対して揺動運動をするとき、これらの間に摩擦抵抗が発生する。この摩擦抵抗は、ユニバーサルジョイントを対にすることによっても相殺することはできない。この相殺できない摩擦抵抗が、対にされたユニバーサルジョイントに全体として伝達トルクの変動を生じさせる。自動車のステアリング装置では、この伝達トルク比の変動が、ハンドルを回転させたときに運転者が受ける反力を変動させるので、操舵フィーリングが悪化する。
【発明の開示】
本発明は、ユニバーサルジョイントにおいて、入出力軸間の伝達トルクの変動を抑制することを課題とし、更には、このユニバーサルジョイントを使用した自動車ステアリング装置において、ユニバーサルジョイントにおける伝達トルクの変動を抑制することによって、操舵フィーリングを改善することを課題とするものである。
本発明のユニバーサルジョイントにおける第１番目のものは、入力軸、上記入力軸に備えられた一対のヨークアーム、出力軸、上記出力軸に備えられた一対のヨークアーム、十字状に直交する４つのスパイダーアームを持つ十字部材、上記スパイダーアームのうちの互いに反対側にある２つの先端部と上記入力軸の２つのヨークアームとの間にそれぞれ設けられた２つの軸受、及び、上記スパイダーアームのうちの互いに反対側にある残る２つの先端部と上記出力軸の２つのヨークアームとの間にそれぞれ設けられた２つの軸受、からなるユニバーサルジョイントにおいて、上記入力軸の軸心線と上記出力軸の軸心線を含む平面に上記２つのスパイダーアームの軸心線が含まれるとき、このスパイダーアームの揺動運動に対して最大の抵抗負荷を生じさせる抵抗付加機構が備えられていることを特徴とするユニバーサルジョイントである。
更に、第２番目の発明は、第１番目のユニバーサルジョイントにおいて、上記抵抗付加機構は、上記軸受の内の少なくとも一つを揺動角度に対応して抵抗負荷が変動する軸受とすることによって構成されていることを特徴とするユニバーサルジョイントである。
更に、第３番目の発明は、第２番目のユニバーサルジョイントにおいて、上記抵抗付加機構を構成する軸受は、上記ヨークアームに形成された略楕円形状のヨーク孔と上記スパイダーアームの略楕円形状の先端部とで形成されていることを特徴とするユニバーサルジョイントである。
更に、第４番目の発明は、第３番目のユニバーサルジョイントにおいて、上記ヨークアームに形成された略楕円形状のヨーク孔にはベアリングカップが圧入されており、このベアリングカップの内面と上記スパイダーアームの略楕円形状の先端部との間には複数のニードルが介在していることを特徴とするユニバーサルジョイントである。
更に、第５番目の発明は、第１番目のユニバーサルジョイントにおいて、上記抵抗付加機構は、上記スパイダーアームの端面に形成されたカム面とこれに接触する上記ヨークアームに設けられた係合突起からなることを特徴とするユニバーサルジョイントである。
更に、第６番目の発明は、第５番目のユニバーサルジョイントにおいて、上記ヨークアームに形成された円形のヨーク孔にはベアリングカップが圧入されており、このベアリングカップの内面と上記スパイダーアームの円形状の先端部との間には複数のニードルが介在しており、上記ベアリングカップのカップ底に上記係合突起が形成されていることを特徴とするユニバーサルジョイントである。
更に、第７番目の発明は、第１番目から第６番目までのユニバーサルジョイントにおいて、上記抵抗付加機構が、入力軸側と出力軸側のうちのいずれか一方の側に設けられていることを特徴とするユニバーサルジョイント。
更に、第８番目の発明は、第１番目から第６番目までのユニバーサルジョイントにおいて、上記抵抗付加機構が、入力軸側と出力軸側の両方に設けられていることを特徴とするユニバーサルジョイントである。
更に、第９番目の発明は、第１番目から第８番目までのいずれかのユニバーサルジョイントをステアリングコラムから車体側操舵機構までの間に介在させたことを特徴とする自動車用ステアリング装置である。
更に、第１０番目の発明は、第１番目から第８番目までのいずれかの実質的に等しい交差角を持つユニバーサルジョイントを２つ備えるとともに中間軸を備えており、一方のユニバーサルジョイントはその出力軸を上記中間軸とし、他方のユニバーサルジョイントはこの中間軸を入力軸としていることを特徴とする自動車用ユニバーサルジョイント組立体である。
本発明のユニバーサルジョイントによれば、入出力軸間の伝達トルクの変動が抑制され、更には、このユニバーサルジョイントを使用した自動車ステアリング装置においては、ユニバーサルジョイントにおける伝達トルクの変動が防止されるため、運転時の操舵フィーリングを改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】    図１は、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２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。
図３は、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は、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は、入力軸１の回転角θに関して、角速度比ｒωの変化を示すグラフである。
図６は、入力軸１の回転角θに関して、２組のユニバーサルジョイントを使用した場合の入力軸トルクの変化を示すグラフである。
図７は、回転する入力軸１に固定されたカメラで十字部材３を見たとしたとき、十字部材３が姿勢を変化させる様子（揺動）を示した図である。
図８は、従来の折り曲げトルクと揺動角βとの関係を示したグラフである。
図９は、軸受４１１及びスパイダーアーム３１１が円形から僅かにずれたほぼ楕円形に形成されていることを示す説明図である。
図１０は、軸受４１１の要部を誇張して示す説明図である。
図１１は、軸受４１１の要部を誇張して示す説明図である。
図１２は、軸受４１１によって生じる折り曲げトルクと揺動角βとの関係を示すグラフである。
図１３は、選択的負荷を与えたことによってユニバーサルジョイント１０が実体としてはほぼ一定の回転トルクを持つことを示すグラフである。
図１４は、実施例２の要部拡大図である。
図１５は、実施例２の抵抗付加機構部分の要部のみを示した拡大断面図である。
図１６（Ａ）は実施例３における十字部材３の平面図、（Ｂ）はスパイダーアーム３１１の端面の左側面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  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。
第１実施例
図２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、ステアリングコラム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。
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。
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α１、α２（ただし、通常、α１≒α２）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。
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１、図２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、十字部材３も回転し、十字部材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。
入力軸１と出力軸２が交差する角（交差角）をα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の関係があることが知られている。
ｒω＝ωｏ／ωｉ＝ｃｏｓα／（１−ｓｉｎ２θ・ｓｉｎ２α）
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の姿勢が示されている。トルク伝達比は角速度比ｒωの変化に伴い変化し、交差角αが大きいほどこの変動も大きくなる。
自動車のステアリング装置では、通常ユニバーサルジョイントを２組使用し、これらの位相をずらすこと、およびそれぞれの交差角を実質的に同一にすることによりこの変動を無くすようにしている。しかしながら、十字部材３を揺動させることから、その摩擦抵抗により実際上はトルクが変動する。
図７は、回転する入力軸１にカメラを固定したと仮定し、このカメラで十字部材３を見たとしたとき、十字部材３が姿勢を変化させる様子（揺動）を示した図である。この図に示されるように、十字部材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αの振幅で揺動し、入出力軸一回転につき２回中立位置（図７で垂直方向）を通ることがわかる。
そして、十字部材３がヨークアーム１１１に軸受４１１によって軸受されるとき、一般に軸受の解放端側とシールリング７７（第１５図参照）との間、および、軸受４１１のカップ底とスパイダーアーム３１１の先端との間には適度の予圧が与えられる。この予圧によって折り曲げトルク、すなわち十字部材３の揺動を妨げるような摩擦トルクが発生する。図８は従来の折り曲げトルクと揺動角βとの関係を示しており、揺動角βに関わらずほぼ一定であることがわかる。なお、ループを描くのは、揺動の方向が変わったとき、摩擦の方向が異なるからである。
この摩擦トルクにより、図６に示すようなトルク変動（線図Ｂ）が発生し、ハンドルを回転させたときの運転者の操舵フィーリングを悪化させていた。なお、線Ａは２組のユニバーサルジョイントの折り曲げトルクが０（つまり摩擦抵抗０を仮定）で、所定の角度だけ位相をずらし、それぞれの交差角を同一にした理想的な場合を示している。
この揺動運動を妨げるような選択的負荷、つまり、十字部材３の揺動角に対応した負荷抵抗を与えたとき、この負荷は図６のトルク変動線図Ｂに重畳されて現れる。
この第１実施例においては、上記選択的負荷を以下に説明する構成によって与える。図９に示されるように、軸受４１１及びスパイダーアーム３１１は円形から僅かにずれたほぼ楕円形に形成されている。
軸受４１１は、次のように構成されている。すなわち、ヨークアーム１１１には略楕円のヨーク孔７１が形成されており、このヨーク孔７１にはベアリングカップ７３が圧入されている。圧入によってベアリングカップ７３の内面（ベアリング面）も同様に略楕円となる。スパイダーアーム３１１の先端部は同様に略楕円状の外形に仕上げられており、これとベアリングカップ７３との間には多数のニードル７２を介在させることにより、軸受４１１が形成される。なお、ここで楕円あるいは略楕円といったのは数学的な意味での厳密な「楕円」を示しているわけではない。
図１０及び図１１には、軸受４１１の要部が誇張して示されている。この図の場合、ヨーク孔７１の楕円長径方向は、これらの図において上下方向（図面上で入力軸１の軸線と直交する方向）であり、スパイダーアーム３１１先端部の楕円は、十字部材３の４本のスパイダーアーム（３１１等）の中心線を含む面に直交する方向に長軸が形成されている。
図１０にはスパイダーアーム３１１が中立位置にあるときの、ヨーク孔７１の楕円とスパイダーアーム３１１先端部の楕円の関係が示されている。この状態では、スパイダーアーム３１１先端部の楕円の長径方向とヨーク孔７１の楕円の短径方向が一致しており、そのため、強い予圧が働き、摩擦トルクも大である。なお、この状態は、図４の状態に対応する。
図１１には、十字部材３の揺動角βが最大、つまり、公差角αの大きさと一致したときの様子が示されている。スパイダーアーム３１１先端部の楕円の長径方向がβだけ傾いており、そのため、予圧は弱まり、摩擦トルクも小さくなっている。なお、この状態は、図３の状態に対応する。
図１２は、このような軸受４１１を構成したことによって生じる折り曲げトルクと揺動角βとの関係を示しており、揺動角βに応じて折り曲げトルクが大きく変化していること及び揺動角β＝０°で最大値を示すことがわかる。ヨーク孔７１、スパイダーアーム３１１先端部、ニードル７２の寸法関係、各楕円の形状を調節することにより、この特性（大きさ、カーブ）を広い範囲で調整することができる。この実施例をユニバーサルジョイントを２組使用するステアリング装置に適用すると、図１３に例を示すように実体としてはほぼ一定の回転トルクを持つユニバーサルジョイント１０を得ることができる。
このように抵抗付加機構は、入力軸１の軸心線と出力軸２の軸心線を含む平面に２つのスパイダーアーム３１１の軸心線が含まれるとき、このスパイダーアーム３１１（十字部材３）の揺動運動に対して最大の抵抗負荷を生じさせることになり、それから外れるに従い次第に弱い負荷抵抗（摩擦トルク）を示すものである。
第２実施例
実施例１では抵抗付加機構が軸受４１１によって実現されていたが、実施例２では抵抗付加機構がカム面７６と係合突起７５によって実現される。抵抗付加機構の他は、実施例１と同様であるため、その説明を援用することとし、以下にはこれと異なる構成についてのみ説明する。
図１４は、実施例２の要部拡大図である。図１５は、図４に対応する姿勢のときを示しており、抵抗付加機構部分の要部のみを示した拡大断面図である。ヨーク孔７１及びスパイダーアーム３１１の先端部の外形は従来のものと同様に円形状である。スパイダーアーム３１１の端面には、カム面７６が形成されている。このカム面７６は、この図の左に行くにしたがって高くなる斜面である。ベアリングカップ７３のカップ底７４には、軸心から偏心した位置に内向きの係合突起７５が形成されている。
スパイダーアーム３１１が揺動するとき、係合突起７５とカム面７６が接触し、揺動角β＝０°のとき最も大きい摩擦抵抗が生じ、これから外れるに従い次第に小さくなるようにされている。なお、カム面７６は図示するように平面だけでなく適度な曲面とすることも可能である。また、シール７７は軸受４１１内部に塵埃が侵入するのを防止するために設けたものである。
カム面７６の傾きあるいは曲面の曲がり具合を調整することにより、揺動角βに応じて生じる摩擦抵抗、したがって図１２に示されるような折り曲げトルクの特性を調整することができる。その結果、図１３に例を示すように実体としてはほぼ一定のトルク伝達比を持つユニバーサルジョイント１０を得ることができる。
第３実施例
図１６、（Ａ）は、実施例３における十字部材３の平面図、（Ｂ）はスパイダーアーム３１１の端面の左側面図である。スパイダーアーム３１１の端面が２つの斜面からなる屋根形のカム面７６で構成されている点でのみ実施例２と相違している。稜線は、４つのスパイダーアームがなす平面と直交する方向に向いている。スパイダーアーム３１１が揺動するとき、係合突起７５とカム面７６が接触し、揺動角β＝０°のとき最も大きい摩擦抵抗が生じ、これから外れるに従い次第に小さくなるようになる。
各斜面の傾き、稜線の高さを調整することにより、揺動角βに応じて生じる摩擦抵抗、したがって図１２に示されるような折り曲げトルクの特性を調整することができる。その結果、図１３に例を示すように実体としてはほぼ一定のトルク伝達比を持つユニバーサルジョイント１０を得ることができる。
以上の実施例では、ユニバーサルジョイントの一方のヨークアームとスパイダーアームについて述べたが、他方のヨークアームとスパイダーアームについてもここに開示の構成を採用することが可能である。更に、これらのユニバーサルジョイントをステアリングコラムから車体側操舵機構までの間に介在させて、自動車用ステアリング装置に組み込むことにより、ユニバーサルジョイントにおける伝達トルクの変動を抑制することができるので、運転時の操舵フィーリングを改善することができる。
また、ユニバーサルジョイントを２つ備えるとともに中間軸を備えており、一方のユニバーサルジョイントはその出力軸を上記中間軸とし、他方のユニバーサルジョイントはこの中間軸を入力軸とした自動車用ユニバーサルジョイント組立体を市場に流通させることができ、この組立体を使用した自動車では、ユニバーサルジョイントにおける伝達トルクの変動が抑制されているので、運転時の操舵フィーリングが改善されることとなる。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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2004113752.tif 000020
2004113752.tif 000021
2004113752.tif 000022