資料

高剛性インタミディエイトシャフト用プレスヨークの開発
Development of Stamped Yoke for High Rigid Intermediate Shaft
金目茂孝

S. KINME 上川多恵
池田克彦

T. KAMIKAWA 西野明宏

K. IKEDA 井上聖準

A. NISHINOS. INOUE

In order to cope with automakers' requirements on low cost and high strength/rigidity, the development for high rigid
stamped yoke has been carried out.
In this development, experiment result and FEM analysis method was effectively utilized, while reviewing on design
repeatedly, and high rigidity in low price stamped yoke was achieved.
Key Words: intermediate shaft, stamped yoke, high rigidity

ト高であるため，その低減の目的でプレスヨーク

1．はじめにへの切り替えが考えられる．ところが，現状では自動車の操舵装置（図1）はステアリングホイー

プレスヨークは安価ではあるが，高負荷トルクにルに連結されるステアリングシャフト（ステアリ対して強度が不十分である．一方，近年の自動車

ングコラムに内蔵），およびそのシャフトとステの性能向上に伴い，インタミの捩り剛性が操舵フ

アリングギヤを連結するインタミディエイトシャィーリングに影響する事が分かりつつあり，よりフト（以下インタミと称す），車輪を操向するため高剛性のヨークも求められている．のステアリングギヤで構成され，これにより運転

本報では，実験とＦＥＭ解析を用いながらデザ

者はステアリングホイールを操作して，車の方向インレビューを繰返し，高強度・高剛性を持つプを変えることができる．

レスヨークを開発したので，その結果を報告す
ステアリングホイール

ステアリングコラムる．

2．ユニバーサルジョイントの構成
ステアリングシャフト
インタミディエイトシャフト

図2はユニバーサルジョイントの構成を示す．
ユニバーサルジョイントは折れ角の変化に対応しながらトルクを伝達する機構で，２個のヨークと４個のベアリング（インタミでは針状ころ軸受が用いられる），クロスで構成されている．入力側のヨークに負荷されたトルクは入力側ヨークに圧ステアリングギヤ入されたベアリングからクロスに伝わり，出力側のヨークに圧入されたベアリングを介して出力側

図1 操舵装置
Steering system

ヨークへと伝達される．
針状ころ

インタミはステアリングシャフトとステアリン

シール

クロス

ベアリングカップ

グピニオンを連結しているが，これらの部品は車両搭載上，同一軸上に配置することができずに折れ角を持って配置されるため，一般的に２個のユニバーサルジョイントが使用されている．
これまで高トルクが負荷されるインタミ（小型トラック用マニュアルステアリング，コラムタイプ電動パワーステアリングなど）には高強度である冷間鍛造ヨークを使用している．しかし，コスKoyo Engineering Journal No.165 (2004)

ヨーク

図2

ヨーク

ユバーサルジョイントの構成
Structure of universal joint55

−高剛性インタミディエイトシャフト用プレスヨークの開発−

φ3．プレスヨークの捩り強度および捩り剛性の目標値の設定

Q2Q1Q3

本開発では，捩り強度および捩り剛性の目標値

Q4を高トルクが負荷され，冷間鍛造ヨークを使用しQ5Q（φ）ている現在量産中の小型トラック用インタミの要求仕様以上とした
（図3）
．

ころ

〈達成目標値〉
捩り強度：400N・m以上
捩り剛性：34.7N・m/deg.以上

図4 針状ころに作用する転動体荷重
Roller load affecting needle roller捩り強度：400N・m以上

負荷トルク，N・m

針 状 こ ろ 軸 受 の 場 合 ， 式 aお よ び 式 sに
n=1.11，ε=0.5（ベアリングカップ−針状ころ−クロス間の隙間が０の場合），Jr=0.2448，r＝0.017875，z=19を代入すると，
捩り剛性：34.7N・m/deg.以上
1.11Ｑ
（φ）
=Ｔ（cosφ） ／0.1663 …………………dとなる．
今回，負荷トルクを量産プレスヨークの捩り強，および捩り強度目度実力値をT 1（=350N・m）

捩れ角，deg.

標値をT2（=400N・m）とすると，式dより表1が

図3 プレスヨークの目標値
Target value of stamped yoke

得られる．

4．ＦＥＭ解析による量産ヨークの高応力発生部位の把握
高強度・高剛性のプレスヨークを開発するにあ

表1

それぞれの針状ころの位置における転動体荷重
Roller load on each needle roller position
Ｑ1

荷重負荷位置Ｑ（φ），NＱ2

Ｑ3Ｑ4

Ｑ5Ｑ（０） Ｑ（19） Ｑ（38） Ｑ（57） Ｑ（76）たり，ＦＥＭ解析により現在量産中のヨークに捩

T1＝350，N・m

2 105

1 978

1 616

1 072436

りトルクが負荷された時に発生する高応力部位をT2＝400，N・m

2 406

2 261

1 850

1 231506

把握し，対策が必要となる箇所の特定を行った．
ＦＥＭ解析ではＱ（φ）に相当する荷重をヨーク

4.1

ＦＥＭ解析での入力荷重条件の決定

はじめに，ＦＥＭ解析する際の入力荷重条件でに負荷した（図5）．
転動体荷重：Q（φ）

ある転動体荷重：Ｑ（φ）
を計算により求めた．
図4は針状ころに作用する転動体荷重を示す．

負荷トルク：Ｔ

それぞれの針状ころの位置における転動体荷重：Ｑ（φ）
および最大転動体荷重：Ｑmaxは次式で示される．
n（１−cosφ）／2ε］ ……aＱ（φ）=Ｑmax［１−図5（0） ………………s
Ｑmax=Ｔ／2r・z・Jr・cos
ここで，φ：針状ころの位置［deg.］，ε：負荷率，n：指数，r：回転中心からアームまでの距
離［m］，z：針状ころの個数［個］，Jr：ラジアル積分を示す．

4.2

ヨークに負荷される転動体荷重
Roller load applied to yoke

量産ヨークのＦＥＭ解析

4.1で得られた転動体荷重を用いて，量産プレスヨークおよび冷間鍛造ヨークのＦＥＭ解析を行った．
図6はそれぞれのヨークの応力分布を示す．

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Koyo Engineering Journal No.165 (2004)

−高剛性インタミディエイトシャフト用プレスヨークの開発−

FF

冷間鍛造ヨーク（負荷トルク：400N・m）
h

量産プレスヨーク（負荷トルク：350N・m）

bl

図7 片持ちはり
Cantilever boom
，最大
量産プレスヨークの板厚をb1（＝７mm）

図6 応力分布Stress analysis，板厚応力をσ1，負荷トルクをT1（＝350N・m）

量産プレスヨークおよび冷間鍛造ヨークの応力とし，式fをσ1≧σ2の関係に代T2（＝400N・m）

変更品の板厚をb2，最大応力をσ2，負荷トルクを分布は類似の傾向を示し，アーム根元部とベアリ入すると次式の関係が得られる．

ング圧入穴部に高い応力が発生していることが分かる．このことから，アーム根元部およびベアリ

b2／b1≧T2／T1 …………………………………g

ング圧入穴部の強度を上げる必要があると考え
式gにそれぞれの値を代入すると，た．

5．プレスヨークの捩り強度および捩り剛性の向上

b2≧1.143×７＝8.001※

よって，板厚変更品の必要板厚を８mm とした．

4.2の結果を元に，量産プレスヨークおよび冷※８mm以上となると現工法ではプレス成形の間鍛造ヨークと比較しながら捩り強度および捩り際，しわ，割れが発生し，この点からも８mm剛性の向上対策を検討し，ＦＥＭ解析および実機は限界と思われる．

にて効果確認を行った．

5.1.2
5.1

捩り強度および捩り剛性の向上対策

プレスヨークの捩り強度および捩り剛性の向上

材料強度アップによる捩り強度および捩り剛性の向上

表2に材料の機械的性質を示す．

対策は，次の３つの観点から検討した．

表2 材料の機械的性質
Mechanical property of the material

１）
板厚アップ
２）
材料強度アップ

5.1.1

板厚アップによる捩り強度の向上

2

材 料

引張強度，N/mm

量産プレスヨーク

SPHE

270以上

41以上

材料変更品

SAPH400

400以上

24以上

３）
形状の見直し伸び，％

ヨークのアームを片持はりに置き換えて，板厚変更品に400N・mを負荷した時の最大応力が量

一般的な板材の中でプレス性，切削性が良く，産プレスヨークにそれ自身の捩り強度である

その上，量産プレスヨークの材料（SPHE）と比較

350N・mを負荷した時の最大応力以下となる最してコストに差のない材料としてSAPH400を選小板厚があれば，目標である400N・m以上の捩定したいが，材料の伸びが低くなる本材料ではプり強度を達成できると考えた．

レス成形（曲げ加工）
時に両アームのつなぎ部分お図7に示す片持ちはりにおいて，最大応力σは次式で表される．
σ＝Ｍ／Ｚ＝6Fl／bh2 …………………………f

よびアーム根元部にしわや割れが発生するため，材料は量産プレスヨークのままとした．

5.1.3形状の見直しによる捩り強度および捩り剛性の向上

ここで，Ｆ：ベアリング圧入穴に負荷される荷プレス成形のし易さと冷間鍛造ヨークの強度・重（＝T／2r），ｌ：アーム長さ，ｂ：アーム板厚，剛性に近付けるためにアームの形状を見直した．

ｈ：アーム高さを示す．

まず，アーム根元部の応力を下げるためにアーム長さを短縮し，プレス成形を容易にするためにアームを平坦にした．また，近年衝突時の乗員衝撃

Koyo Engineering Journal No.165 (2004)57

−高剛性インタミディエイトシャフト用プレスヨークの開発−

値を下げる目的で「ヨークの折れ角が60°まで両5.3実機による捩り強度および捩り剛性の効果確認

ヨークが干渉しないこと」という条件がスペックとして提示されるため，干渉逃がし形状としてア

次に対策品の静的捩り強度試験を実施した．

ーム内側を面押し形状とした．

表5に試験条件を示す．

形状見直し結果を表3および図8に示す．

表5 試験条件
Test conditions

表3 形状見直し結果
Result of configuration review
変更箇所

負荷トルク

０N・m〜破断まで

形状変更品

取付角度

37deg.

ヨーク外幅が42mmとなる

取付位相角

駆動側ヨークのベアリング中心が水平方向

量産プレスヨーク①アーム形状Ｒ40の湾曲形状
26.5mm23mm

打ち抜き形状アーム内側の面押し形状②アーム長さ③干渉逃がし形状

平坦アーム形状

表6に試験結果を示す．

表6 試験結果
Test result

量産プレスヨーク
41.5
22Ｒ40

目

φ30

捩り強度，N・m

捩り剛性，N・m/deg.

400

34.7

434（1.09）

26.8（0.77）

○×標

24

対策品
判

定26.5
形状見直し品42

判定基準；○：目標以上，×：目標未満③干渉逃がし部形状変更①アーム形状変更②アーム長さ変更
22φ30（）は目標に対する強度比，剛性比を示す

これより，対策品は捩り強度目標値：400N・m以上を達成しているが，捩り剛性は目標値に達していないことが分かった．

23.5

3.24.5Ｃ5.40.

523捩り剛性の向上対策

捩り剛性を目標値に近付けるべく，更にヨーク形状の見直しを行った．図9に示すように，セレ

図8 形状見直し結果
Result of configuration review

ーション加工時の取り代を減らし，両アームのつ以上の考察から，板厚アップ（ｔ＝８），形状の見直しを織り込んだものを対策案とした．

5.235N・m

ボルト締付トルク

なぎ部分の板厚（外Ｒ）を上げることによって，アーム根元部の捩り剛性をアップさせた．

ＦＥＭ解析による捩り強度の効果確認

5.1で検討した対策案を図面化しＦＥＭ解析を〈変更前〉.413Ｒ ↓ .514Ｒ〈変更後〉行った．
表4にＦＥＭ解析結果を示す．

表4 ＦＥＭ解析結果
FEM analysis result
量産プレスヨーク対策品

板厚，mm

７８

負荷トルク，N・m350

400

最大主応力，MPa

2 204.61

1 822.66▲17％

このＦＥＭ解析では対策品に400N・mを負荷し

図9 アームつなぎ部板厚変更
Change in plate thickness of arm connecting part
図10に上記の最終形状品，および量産プレスヨークの静的捩り強度試験より得られた捩れ角と負荷トルクとの関係，図11にそれぞれの試験後の外観状況を示す．

た時の最大応力が量産プレスヨークに350N・mを負荷した時の最大応力と比較して17%低減されていることが分かる．

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−高剛性インタミディエイトシャフト用プレスヨークの開発−工法による板厚アップは難しい．さらに，形状に最終形状品

捩り強度：425，N・m

ついては，衝突時に両ヨークが折れ角：60°でも干渉しないという条件を確保するためにはヨーク

負荷トルク，N・m

目標値
量産プレスヨークの断面係数を上げることに限界がある．

5.6

耐久性およびコストの確認

最終形状の試料を用いて判定基準である捩り耐久試験の条件でヨークが破壊するまで試験を行っ捩り剛性：31.5，N・m/deg.

た結果，対策品は量産プレスヨークおよび冷間鍛造ヨークに比べて耐久性が向上していることが確認できた．

捩れ角，deg.

また，コストは冷間鍛造ヨークに対して10%の

図10 捩れ角と負荷トルクの関係
Relation between helix angle and torque低減効果があった．

6．おわりに自動車メーカーの要望である低コスト化，高強度・高剛性化に対応すべく，高剛性プレスヨークの開発を行った．
その結果を以下に示す．
最終形状品

量産プレスヨーク

図11 試験後の外観状況
Appearance after test１）捩り強度は目標値である400N・m以上を達成した．
（達成率：106%）２）
捩り剛性は目標値である34.7N・m/deg.には若干及ばないが，達成率：91%まで向上

表7に試験結果を示す．

した．
３）
コストは冷間鍛造ヨークに対して10%低減

表7 試験結果
Test result目捩り強度，N・m

捩り剛性，N・m/deg.

400

34.7425（1.06）

31.5（0.91）

○×

標

対策品
判できた．

定判定基準；○：目標以上，×：目標未満（

これにより，負荷トルクの条件によっては，冷間鍛造ヨークからプレスヨークへの変更が十分可能であると考える．
但し，更なる低コスト，高剛性を目指して，今後も開発を継続していく必要がある．

）は目標に対する強度比，剛性比を示す

この試験結果より以下のことが分かった．
①高剛性プレスヨークの捩り強度は目標値であ筆者

る400N・m以上（106%）を達成した．
②高剛性プレスヨークの捩り剛性は目標値である34.7N・m/deg.の91%（量産プレスヨークは67%）まで近付いたものの，目標値には若干及ばない．

5.5

考察

これまで冷間鍛造ヨークからプレスヨークへの

金目茂孝*
S. KINME

上川多恵*
T. KAMIKAWA

池田克彦***
K. IKEDA

井上聖準***
S. INOUE

西野明宏**
A. NISHINO

切り替えを目的として，高強度・高剛性のプレスヨークを検討してきたが，捩り強度は目標値を達成したものの，捩り剛性については若干目標値にが大きく寄与している．板厚については，８mm* ステアリング事業本部** ステアリング事業本部

以上ではプレス成形時にしわや割れが発生し，現*** 光洋機械工業株式会社

達していない．この要因はヨークの成形性の課題

Koyo Engineering Journal No.165 (2004)

ステアリング第２技術部
ステアリング実験部

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