专利名称：车辆转向用伸缩轴的制作方法
技术领域：
本发明涉及安装在车辆的转向轴内且雄轴和雌轴不能相互转动但能够相互滑动地配合的车辆转向用伸缩轴。
背景技术：
车辆(汽车)转向机构的伸缩轴需要具有吸收车辆行驶时产生的轴向位移并防止这种位移或者振动传递到转向盘的性能。此外，该伸缩轴还需要具有沿轴向移动转向盘的位置并调整该位置的功能，以便获得驾驶员驾驶车辆的最佳位置。
在任何情况下，伸缩轴需要降低咔嗒声、减小转向盘的游隙感觉和降低沿轴向的滑动操作过程中的滑动阻力。
因此，传统上，伸缩轴的雄轴上包覆有尼龙薄膜，并在其滑动部分涂覆有油脂，以便吸收或减轻金属噪音、金属咔嗒声等，同时降低滑动阻力和沿转动方向的游隙。
但是，随着使用，存在尼龙薄膜磨损加剧且沿转动方向的游隙变大的情况。在发动机室内的高温条件下，薄膜的体积也变化，从而滑动阻力明显变大或者磨损显著加快。因此，沿转动方向的游隙变大。
鉴于此，在日本专利申请特开No.2001-50293中，转矩传递部件(球状体)配合在多对分别形成于雄轴的外周面和雌轴的内周面上的轴向槽之间，当雄轴和雌轴沿轴向相对移动时，该转矩传递部件(球状体)滚动。
此外，根据DE No.3730393C2，在分别成对的用作转矩传递部件的球状体的沿径向的内侧或外侧和轴向槽之间，布置有板簧，该板簧用作预压用弹性部件，用以通过转矩传递部件(球状体)对雄轴和雌轴施加预压。
通过这种布置，当不传递转矩时，由于用作转矩传递部件的球状体被板簧预压靠在雌轴上至没有游隙产生的程度，因此可以防止雄轴和雌轴之间的游隙，从而雄轴和雌轴能够以稳定的滑动负荷而没有游隙地沿轴向滑动。
并且，当传递转矩时，由于布置成用作转矩传递部件的球状体可以被板簧保持在圆周方向，因此雄轴和雌轴可以在高刚度的状态下传递转矩，同时防止沿转动方向的游隙。
但是，根据如上所述的日本专利申请特开No.2001-50293或德国专利DE No.3730393C2，由于球状体与雌轴或雄轴的轴向槽的轨道表面点接触，因此，当施加转矩负荷时，如果它们之间的接触压力变得过大，则恐怕会在与球状体点接触的轴向槽的轨道表面上产生压痕。
在这种情况下，由于轴向槽的轨道表面上的压痕，导致滑动阻力变大或不均匀。此外，压痕还可能导致由于应力集中引起的剥落或磨损等损坏。
发明内容
本发明考虑到上述情况而设计，其目的是提供一种车辆转向用伸缩轴，该伸缩轴能够实现稳定的滑动负荷，同时防止沿转动方向的游隙，从而在高刚度的状态下传递转矩，而制造成本降低且耐久性提高。
为了实现以上目的，根据本发明，提供了一种安装在车辆的转向轴内且雄轴和雌轴不能相互转动但能够相互滑动地配合的车辆转向用伸缩轴，其特征在于当所述两轴沿轴向相对移动时滚动的球状体布置在分别形成于所述雄轴的外周面和所述雌轴的内周面上的至少一对轴向槽(沟)之间；用于通过所述球状体对所述雄轴和所述雌轴施加预压的弹性体插置在所述雄轴侧或所述雌轴侧的轴向槽与所述球状体之间；当所述两轴沿轴向相对移动时滑动的柱状体插置在分别形成于所述雄轴的外周面和所述雌轴的内周面上的至少另一对轴向槽之间；所述球状体在其内滚动的所述雄轴侧或所述雌轴侧的轴向槽的横截面的曲率半径设定为小于等于所述球状体直径的55％如上所述，根据本发明，由于球状体在其内滚动的雄轴侧或雌轴侧的轴向槽的横截面的曲率半径设定为小于等于球状体直径的55％，因此，当输入假定的最大扭转力矩时，可以保持球状体和轴向槽之间的接触压力小于等于1500MPa。
如上所述，如果保持球状体和轴向槽之间的接触压力小于等于1500MPa，则即使当伸缩轴的表面硬度为普通值(例如，大约HV260到HV300)时，也可以完全防止产生压痕。
因此，即使没有特别进行热处理或表面硬化处理，也能够可靠地防止产生压痕，从而能够有效地防止由于压痕引起的诸如滑动阻力增大或磨损等损坏。因此，能够提高耐久性，同时降低制造成本。根据本发明，还能够实现稳定的滑动负荷，同时防止沿转动方向的游隙，从而在高刚度的状态下传递转矩。
图1A为根据本发明的第一实施例的车辆转向用伸缩轴的侧视图，图1B为其透视图；图2为沿图1A中的线A-A的横剖视图；图3为伸缩轴的扭转刚度的分析程序的计算模型的示意图；图4为以实线表示出用作试件的伸缩轴的扭转刚度的试验结果与以虚线示出分析程序的计算结果的曲线图；图5A为根据本发明的第二实施例的车辆转向用伸缩轴的纵剖视图，图5B为沿图5A中的线b-b的横剖视图；图6为根据第二实施例的车辆转向用伸缩轴的分解透视图；图7为根据图5A、图5B和图6所示的第二实施例的伸缩轴的球状体和雌轴侧的轴向槽之间的最大接触压力的计算结果的曲线图；图8为日本专利申请特开No.2001-50293或德国专利DE No.3730393C2所公开的伸缩轴的球状体和雌轴侧的轴向槽之间的最大接触压力的计算结果的曲线图；以及图9为使用根据本发明的实施例的车辆转向用伸缩轴的车辆转向机构的侧视图。
具体实施例方式
下面参考
根据本发明的实施例的车辆转向用伸缩轴。
(车辆转向轴的整体结构)图9为使用根据本发明的实施例的车辆转向用伸缩轴的车辆转向机构的侧视图。
在图9中，转向机构由以下部分构成通过上支架101和下支架102连接在车身侧部件100上的上转向轴部120(包括转向柱103和被转向柱103可转动地保持的转向轴104)、安装在转向轴104上端的转向盘105、通过万向节106连接在转向轴104的下端的下转向轴部107、通过转向轴接头108连接在下转向轴部107的小齿轮轴109、连接在小齿轮轴109上的转向齿条轴112和用于支承转向齿条轴112并通过弹性体111固定在车体的另一车架110上的转向齿条支承部件113。
在这种情况下，上转向轴部120和下转向轴部107使用根据本发明的实施例的车辆转向用伸缩轴(下称“伸缩轴”)。下转向轴部107由雄轴和雌轴相互配合而形成。这种下转向轴部107需要具有吸收车辆行驶过程中产生的轴向位移从而防止将该位移或振动传递到转向盘105的性能。当车体具有副车架结构，使得用于固定转向机构上部的部件100与用于固定转向齿条支承部件113的车架110独立地设置，并且转向齿条支承部件113通过诸如橡胶等弹性体111固定在支架110上时，需要这种性能。在另一种情况下，转向轴也需要具有伸缩功能，使得当装配人员将转向轴接头108装配到小齿轮轴109上时，能够暂时缩短该伸缩轴以便使之配合并固定在该小齿轮轴109上。此外，布置在转向机构上部的上转向轴部120也是由雄轴和雌轴相互配合而形成。这种上转向轴部120需要具有沿轴向移动转向盘105的位置并随后调整该位置的功能，以便获得驾驶员驾驶车辆的最佳位置。因此，上转向轴部120需要具有沿轴向伸缩的功能。在上述所有情况下，伸缩轴都需要具有降低配合部的咔嗒声、减小转向盘105上的游隙感觉和降低沿轴向滑动过程中的滑动阻力的功能。
(伸缩轴的第一实施例)图1A为根据本发明的第一实施例的车辆转向用伸缩轴的侧视图，图1B为其透视图。图2为沿图1A中的线A-A的横剖视图。
如图1A和1B所示，车辆转向用伸缩轴(下称“伸缩轴”)包括不能相互转动但能够相互滑动地互相配合的雄轴1和雌轴2。
如图2所示，在雄轴1的外周面上沿周向以120°等间隔布置有三个沿轴向延伸的基本呈拱形(圆弧形)的槽3、4、4。与此相对应，在雌轴2的内周面上也沿周向以120°等间隔布置有三个沿轴向延伸的基本呈拱形的槽5、6、6。轴向槽3、5形成第一插置部，轴向槽4、6，4、6形成第二插置部。
下面将要说明的预压用的板簧9用作沿轴向延伸并具有基本呈M形的横截面的弹性体，该板簧9布置在雄轴1的横截面基本呈拱形的轴向槽3和雌轴2的横截面基本呈拱形的轴向槽5之间。同时，多个为刚性体的球状体7可滚动地插置在板簧9的中央凹部和轴向槽5之间，用作第一转矩传递部件，从而形成第一转矩传递装置。从而当雄轴1和雌轴2沿轴向相对移动时球状体7滚动，并在滚动过程中被板簧9限制从而传递转矩。
雄轴1的两个轴向槽4、4均具有基本拱形或尖拱形的横截面。与上述轴向槽4、4相对应的雌轴2的两个轴向槽6、6也均具有基本拱形或尖拱形的横截面。在这些相互对应并沿轴向延伸的槽4和6之间，可滑动地插置有允许雄轴1和雌轴2沿轴向相对移动并在转动过程中传递转矩的作为第二转矩传递部件的柱状体8，从而形成第二转矩传递装置。
槽部3b、3b形成在雄轴1的轴向槽3的两侧上，平行于槽3沿轴向延伸，同时脊状的沿轴向延伸的台阶部3a、3a形成在轴向槽3和槽部3b、3b之间。板簧9具有基本呈M形的横截面，并且其两端部分别延伸到槽部3b、3b的底部，并以其端部分别夹着台阶部3a、3a的形式与台阶部3a、3a相接触。如此，板簧9在该板簧9的凹部9c、9c处被雄轴1的轴向槽3的两侧的台阶部3a、3a锁止，从而当传递转矩时整个板簧9不会沿周向移动。
板簧9被设置成当不传递转矩时分别预压球状体7和柱状体8、8使之靠在雌轴2上至没有游隙产生的程度，而当传递转矩时发生弹性变形以将球状体7沿周向限制在雄轴1和雌轴2之间。
多个球状体7被保持器12限制，并且球状体7和保持器12在滑动运动过程中被止挡环11限制沿轴向的运动。
在如上构成的伸缩轴内，球状体7和柱状体8插置在雄轴1和雌轴2之间，并且球状体7和柱状体8被板簧9预压而靠在雌轴2上至没有游隙产生的程度。因此，当不传递转矩时能够可靠地防止雄轴1和雌轴2之间的游隙，同时，雄轴1和雌轴2在沿轴向相对滑动时能够以稳定的滑动负荷滑动而没有游隙。
注意，当滑动表面象常规技术中一样是用于单纯的滑动时，用于防止游隙的预压负荷仅可以设定至某一程度，这是由于滑动负荷是由预压乘以摩擦系数得到，因此，如果预压由于防止游隙或提高伸缩轴的刚度的意图而增加，滑动负荷也增加，从而形成恶性循环。
在此方面，由于本实施例使用滚动机构作为该结构的一部分，因此能够提高预压而不会显著增加滑动负荷。通过使用这种布置，能够防止游隙并提高刚度而不会增加滑动负荷，这是现有技术所不能实现的。
在本实施例中，当传递转矩时，板簧9发生弹性变形，以便沿周向将球状体7限制在雄轴1和雌轴2之间，而插置在雄轴1和雌轴2之间的两列柱状体8起到主要传递转矩的作用。
例如，当从雄轴1输入转矩时，由于在初始阶段施加有板簧9的预压，因此没有游隙产生，并且板簧9产生抵抗转矩的反作用力以传递转矩。在这种情况下，转矩传递总体上是在以下状态下进行的，即雄轴1、板簧9、球状体7和雌轴2之间的转矩传递负荷与雄轴1、柱状体8和雌轴2之间的转矩传递负荷平衡。
当转矩进一步增加时，由于通过柱状体8的雄轴1和雌轴2之间的沿转动方向的间隙设定得比通过球状体7的雄轴1、板簧9、球状体7和雌轴2之间的间隙小，因此柱状体8受到的反作用力比球状体7受到的反作用力大，因此柱状体8起到主要向雌轴2传递转矩的作用。因此，能够可靠地防止雄轴1和雌轴2之间的沿转动方向的游隙，并在高刚度的状态下传递转矩。
注意，球状体7优选为刚性体滚珠。刚性体的柱状体8优选为滚针。
由于柱状体(下称滚针)8通过线接触承受负荷，因此与通过点接触承受负荷的滚珠相比，能够实现很多优点，包括能够保持接触压力较低。因此，这种结构在以下几个方面优于所有列均布置为滚珠滚动结构的情况-与滚珠滚动结构相比，滑动部分的衰减效果大。因此，振动吸收性能好。
-当传递相同的转矩时，在滚针结构中可以保持接触压力较低。因此，可以缩短轴沿轴向的长度，从而可以有效地使用空间。
-当传递相同的转矩时，在滚针结构中可以保持接触压力较低。所以不需要通过热处理等使雌轴的轴向槽表面硬化的附加工序。
-可以减少构件数量。
-可以改善组装性能。
-可以降低组装成本。
如上所述，滚针8在雄轴1与雌轴2之间传递转矩时起到重要的作用，并与雌轴2的内周面滑动接触。这种具有滚针的结构在以下几个方面优于传统的使用花键配合的结构-滚针为大批量生产制品，所以制造成本非常低。
-由于滚针在热处理后进行了研磨，所以表面硬度高，而且耐磨性良好。
-由于对滚针进行了研磨，所以它们具有低的表面粗糙度和低的滑动摩擦系数。因此，可以保持滑动负荷较低。
-由于可以根据使用条件改变滚针的长度或布置，因此可以不用改变设计思想而将滚针用于各种应用。
-根据使用条件，有时还需要进一步减小滑动摩擦系数。在这种情况下，仅对滚针进行表面处理就可以改变其滑动特性。因此可以不用改变设计思想而将滚针用于各种应用。
-由于可以以低成本制造具有几微米差别的不同外径的滚针，因此可以通过选择滚针直径将雄轴、滚针和雌轴之间的间隙减到最小。因此可以容易地提高轴的扭转方向的刚度。
另一方面，由于部分使用了球状体(下称滚珠)7，因此这种结构在以下几个方面优于其中所有列均为滚针结构并且所有列均为可滑动的结构-由于滚珠的摩擦系数低，因此可以保持滑动负荷较低。
-通过使用滚珠可以将预压设定为较高，所以可以同时实现长时间地防止游隙和高的刚度。
(伸缩轴的扭转刚度的分析程序)图3为伸缩轴的扭转刚度的分析程序的计算模型的示意图；图4为以实线表示出用作试件的伸缩轴的扭转刚度的试验结果与以虚线示出分析程序的计算结果的曲线图。
用计算机生成用于分析使用球状体和柱状体的伸缩轴的扭转刚度的程序。雌轴固定在空间内，并且在伸缩轴的(二维)横截面上得出施加在每个球状体或柱状体上的力的平衡式和施加在雄轴上的力(球状体/柱状体/弹簧负荷和从外部输入的扭转力矩)的平衡式。
根据赫兹弹性接触理论，对每个部件的接触点考虑两个物体之间的接近量与接触载荷之间的关系。在该程序中，可以设定施加预压的弹簧模型。弹簧负荷由两个部件即与该弹簧接触的球状体和雄轴之间的位置关系产生。
将该分析程序应用于用作试件且在上述第一实施例(图1A、图1B和图2所示)说明的伸缩轴。
雄轴1和雌轴2分别具有三个轴向槽3、4、4与5、6、6。多个球状体7插置在第一对轴向槽3、5之间，柱状体8、8插置在另外两对轴向槽4、4和6、6之间。通过雄轴1上的板簧9对球状体7施加预压。在图3中示出计算模型。
图4为以实线表示出用作试件的伸缩轴的扭转刚度的试验结果与以虚线示出分析程序的计算结果的曲线图。通过计算得到的扭转刚度的变化与实际测量得到的值符合得很好。
该图表明实际产品的性能可以用分析程序中使用的弹性变形模型以足够的精度预测。认为实际产品的包括变形量、接触面积大小、接触压力等使用状态可以从分析程序的计算值中以足够的精度模拟。
(伸缩轴的第二实施例)图5A为根据本发明的第二实施例的车辆转向用伸缩轴的纵剖视图，图5B为沿图5A中的线b-b的放大横剖视图。图6为根据第二实施例的车辆转向用伸缩轴的分解透视图。
在上述第一实施例中，一组第一转矩传递部件7布置在一对轴向槽3、5之间，两组第二转矩传递部件8布置在两对相对于一对轴向槽3、5沿周向以120°等间隔布置的轴向槽4、6之间。
与此相对，在第二实施例中，如图5A和图5B所示，用作第一转矩传递部件的球状体7分别通过用作弹性部件的板簧9布置在三对沿周向以120°等间隔布置的沿轴向延伸的槽3和5之间，从而形成第一转矩传递装置。用作第二转矩传递部件的柱状体8分别布置在三对沿周向以60°等间隔分别布置在前述三对轴向槽3和5之间的沿轴向延伸的槽4和6之间，从而形成第二转矩传递装置。
在第二实施例中，三对轴向槽3和5以及板簧9的形状和结构分别与第一实施例中的轴向槽3和5以及板簧9的形状和结构相同。在第二实施例中，三对沿轴向延伸的槽4和6的形状和结构也分别与第一实施例中的轴向槽4和6的形状和结构相同。
作为第二实施例的背景技术，由于每辆车需要不同的性能，因此需要各种扭转刚度特性。传统上，每当所需的性能改变时，改变轴的直径或者使用弹性体，从而改变轴的结构以满足所需的性能。
但是，在这些情况下，需要制备各种具有不同结构和弹性性能的构件，导致构件的数量和成本上升。
在这些情况下，根据第二实施例，由于可以以低成本制造具有几微米差别的不同外径的柱状体8，因此通过合理选择或组合柱状体8的直径可以任意设定雄轴1、柱状体8和雌轴2之间的间隙。因此，可以以低成本满足取决于每辆车的特性的各种不同要求，而不改变基本结构且不增加构件的数量。
(用分析程序模拟伸缩轴的扭转刚度)图7为根据第二实施例(图5A、图5B和图6中所示)的伸缩轴的球状体和雌轴侧的轴向槽之间的最大接触压力的计算结果的曲线图。
图8为日本专利申请特开No.2001-50293或德国专利DE No.3730393C2所公开的伸缩轴的球状体和雌轴侧的轴向槽之间的最大接触压力的计算结果的曲线图。
将该程序应用于前述第二实施例(图5A、图5B和图6中所示)中所述的伸缩轴。将对车辆假定的最大扭转力矩100Nm加载到雌轴2和雄轴1之间。
在这种情况下，转矩主要通过插置在雌轴2和雄轴1之间的滚针8传递。但是，被弹性体预压的滚珠7也承载部分转矩。滚针8与雌轴2和雄轴1线接触且接触面积大，因此这种情况下即便当接触载荷很大时接触压力也较小，不会引起严重问题。另一方面，滚珠7与雌轴2侧的轴向槽5或板簧9的表面点接触。尽管传递转矩时滚珠7承载的负荷比滚针8承载的负荷小，但由于滚珠7是点接触且接触面积小，因此接触压力可能非常高。
图7示出当扭转力矩为100Nm时用分析程序获得的球状体7和雌轴2的轴向槽5之间的最大接触压力的计算结果。
此处，轴向槽5的横截面为尖拱形。该曲线的横坐标代表雌轴2侧的轴向槽5的横截面的曲率半径与滚珠7的直径的比。随着横截面的曲率半径的增大，滚珠7和雌轴2之间的最大接触压力升高。当雌轴2侧的轴向槽5是V形槽(表面是平的，并且横截面的曲率半径是无穷大)时，接触压力变得非常高，接近3000MPa。
当施加这么大的接触压力时，如果材料的硬度不足，恐怕会在与滚珠7接触的轨道表面上产生压痕。当在轨道表面上产生了压痕时，滑动阻力变大且不均匀。压痕可能会导致由于应力集中引起的脱落、磨损等损坏。
用于防止产生压痕所需要的硬度可以大致通过以下方式获得。材料的屈服剪切应力τY和维氏硬度HV之间的关系可以大致表示为如下(吉田亨，設計技術者のたぬの表面硬化技術，日刊工業新聞社)HV＝6×τY (1)其中，HV是材料的维氏硬度，τY是材料的屈服剪切应力[kgf/mm2]。
如果应力的单位是国际单位(SI)制，则可以大致建立以下式HV＝0.6×τY(2)其中，τY是材料的屈服剪切应力[MPa]。
另一方面，根据赫兹理论(例如，T.A.HARRIS，Rolling BearingAnalysis-4thedition，John Wiley&Sons)，最大接触压力Pmax和材料内部的最大剪切应力具有以下关系。
线接触时τmax＝0.3×Pmax椭圆接触时τmax＝(1/3)×Pmax (3)为了防止在材料中产生压痕，最大剪切应力需要不超过材料的屈服剪切应力。
τY≥τmax (4)根据式(2)、(3)和(4)，建立以下表达式。
HV＝0.6×τY≥0.6×τmax＝0.2×PmaxHV≥0.2×Pmax (5)其中，Pmax是最大接触压力[MPa]。
由于最大剪切应力产生在比材料的表面稍微靠内的部分，因此确切地说，产生最大接触压力和最大剪切应力的深度处的硬度需要满足式(5)。但是，考虑到在通常的表面硬化处理中，表面最硬并且硬度级别随着朝向内部逐渐降低，因此表面硬度也需要满足式(5)。
例如，当退火时，广泛用作机械部件的材料的机械结构用碳钢(JISG4051)需要具有最高大约HB190的布氏硬度(例如JISハンドブツク[1]鉄鋼I，日本規格協会)，可以转换为大约HV200的维氏硬度(根据同一资料)。在这种情况下，为了防止由于表面永久变形引起的压痕，根据式(5)，最大接触压力Pmax需要不超过1000MPa。
为了制造图5A、图5B和图6所示的伸缩轴，由于可以通过塑性加工以低成本制造该伸缩轴，因此塑性加工比诸如切削等机械加工更好。通过塑性加工，与加工前相比，材料的表面硬度通过加工硬化而提高。发明人等通过塑性加工实验制造的伸缩轴的构件的表面硬度大约为HV260到HV300。
当塑性加工后进行加工硬化获得HV300的表面硬度时，为了防止由于表面永久变形引起的压痕，根据式(5)，最大接触压力Pmax需要不超过1500MPa。
从图7中所示的轴向槽5的曲率半径和最大接触压力的计算结果可以看出，为了当加载100Nm的转矩时使最大接触应力Pmax等于甚至小于1500Mpa，轴向槽5的曲率半径应该等于或小于滚珠7的直径的55％。
注意，日本专利申请特开No.2001-50293和德国专利DE No.3730393C2公开了一种多个滚珠插置在形成于雄轴和雌轴上的轴向槽之间且受到弹性体预压的结构。
对于这种滚珠花键类型的伸缩轴，下面将使用分析程序计算滚珠接触部分的接触压力。
在这种情况下，所研究的结构是从图5A、图5B和图6中所示的伸缩轴去掉三个滚针，只有三列分别由板簧施加预压的滚珠组承受扭转力矩。
图8所示为当扭转力矩为100Nm时使用分析程序得到的滚珠和雌轴之间的最大接触压力的计算结果。
与图7中一样，曲线图的横坐标以与滚珠的直径的比率示出在垂直于该轴线的横截面上雌轴2侧的轴向槽(尖拱形)的曲率半径。与图7中一样，随着横截面的曲率半径的增大，滚珠和雌轴之间的最大接触压力升高。但是，在这种结构中，由于全部输入转矩由滚珠支承，因此即便当雌轴侧的轴向槽的横截面的曲率半径是滚珠直径的52％时，接触压力也会变高，超过3000MPa。
可以通过增加滚珠的数量、滚珠的列数或滚珠的直径抑制接触压力。但是，在这种情况下，会发生伸缩轴整体的直径或长度变大且制造成本升高的问题。
还可以通过减小轴向槽的曲率半径降低接触压力。由于需要以高精度加工伸缩轴以使得曲率半径在非常接近滚珠直径的50％(滚珠半径)的偏差允许范围内，因此这样也会导致成本升高。
当接触压力大约为3000MPa时，如果材料的硬度足够高，则伸缩轴可以投入实际应用。在滚动轴承的情况下，基本静力额定负荷用作用于防止永久变形的负荷。同时，在滚动轴承的情况下，该额定负荷被定义为用于提供4200MPa的最大接触压力的负荷。根据式(5)，3000MPa的接触压力需要HV600的硬度，而4200MPa的接触压力需要HV840的硬度。因此，在这种结构中，需要进行如在制造滚动轴承过程中所使用的热处理或其它表面硬化处理。
当进行这种热处理时，轨道体表面由于热处理可能发生变形，从而不能获得均匀的滑动负荷。并且，为了进行诸如热处理等表面硬化处理，处理本身使成本升高。当需要用机械加工或其它工艺除去处理后的变形时，制造成本进一步升高。
德国专利DE No.3730393C2公开了一种结构，为了避免与滚珠和与其接触的部件之间的大接触压力有关的这种问题，在该结构中与滚珠接触的表面由高硬度的板件(例如，热处理后的弹簧钢板)等形成。为了将板件设置在所有的接触部分，需要制备多个具有复杂形状的构件，导致成本升高。
通过将本发明应用于上述第二实施例(图5A、图5B和图6所示)，可以防止滚珠7在其内滚动的轴向槽5的轨道部分上产生压痕，而无需特别进行诸如热处理等表面硬化处理。与日本专利申请特开No.2001-50293和德国专利DE No.3730393C2的发明相比，本发明可以提供一种结构紧凑、成本低廉、具有平稳的滑动性能和高的转矩传递能力而没有游隙的转向用伸缩轴。
注意，在上述第二实施例(图5A、图5B和图6)中，与滚珠7接触的轴向槽5的轨道横截面为尖拱形。但是，即便当该横截面为简单的拱形、椭圆、抛物线或其它曲线时，本发明可以以相同的方式应用于与滚珠接触的部分的周围的横截面的曲率半径。
当大的扭转力矩施加到具有尖拱形和直线的组合形状的横截面的轴向槽上时，由于滚珠主要与横截面的尖拱形的部分接触，因此本发明是有效的。
上述诸如形式、尺寸和材料等规格仅用作示例，本发明并不局限于这些。
此处，图1A、图1B、图2、图5A、图5B和图6示出这样一种结构，即预压用的板簧9布置在雄轴1侧，滚珠7与板簧9以及雌轴2上的轴向槽5接触。相反，当该结构是这样的，即板簧9布置在雌轴2侧，滚珠7直接与雄轴1侧的轴向槽3接触时，本发明可适用于雄轴1侧上的轴向槽3的横截面的曲率半径。
如上所述，根据本发明，由于雌轴2或雄轴1的轴向槽的轨道的横截面的曲率半径设定为不大于球状体7的直径的55％，因此即便当输入假定的最大扭转力矩时也可以保持球状体7和轴向槽之间的接触压力小于等于1500MPa。尤其是，即使没有特别进行热处理或表面硬化处理，也可以防止产生压痕、由于压痕引起的滑动阻力升高以及诸如磨损等损坏。
注意，本发明不局限于上述实施例，可以以各种形式变形。
如上所述，由于根据本发明球状体在其内滚动的雄轴或雌轴侧的轴向槽的横截面的曲率半径设定为不大于球状体直径的55％，因此即使当输入假定的最大扭转力矩时也可以保持球状体和轴向槽之间的接触压力小于等于1500MPa。
如上所述，当球状体和轴向槽之间的接触压力小于等于1500MPa时，即使伸缩轴的表面硬度设定在普通值(大约HV260到HV300)，也可以可靠地防止产生压痕。
因此，即使没有特别进行热处理或表面硬化处理，也可以可靠地防止产生压痕，从而防止由于压痕引起的滑动阻力升高以及诸如磨损等损坏。使用这种布置，可以提高伸缩轴的耐久性，同时降低其制造成本。根据本发明的权利要求1，还可以实现稳定的滑动负荷，同时可靠地防止沿转动方向的游隙，以在高刚度的状态下传递转矩。
权利要求
1.一种安装在车辆的转向轴内且雄轴与雌轴不能相互转动但能够相互滑动地配合的车辆转向用伸缩轴，其特征在于当所述两轴沿轴向相对移动时滚动的球状体布置在分别形成于所述雄轴的外周面和所述雌轴的内周面上的至少一对轴向槽之间；用于通过所述球状体对所述雄轴和所述雌轴施加预压的弹性体插置在所述雄轴侧或所述雌轴侧的轴向槽与所述球状体之间；当所述两轴沿轴向相对移动时滑动的柱状体插置在分别形成于所述雄轴的外周面和所述雌轴的内周面上的至少另一对轴向槽之间；所述球状体在其内转动的所述雄轴侧或所述雌轴侧的轴向槽的横截面的曲率半径设定为小于等于所述球状体直径的55％。
全文摘要
球状体(7)布置在分别形成于雄轴(1)的外周面和雌轴(2)的内周面上的多对轴向槽(3、5)之间，预压用板簧(9)插置在雄轴的轴向槽和球状体之间，柱状体(8)布置在分别形成于雄轴(1)的外周面和雌轴(2)的内周面上的另外多对轴向槽(4、6)之间。此外，球状体(7)在其内滚动的雌轴(2)侧的轴向槽(5)的横截面的曲率半径设定为球状体(7)的直径的55％或更小。
文档编号F16D3/02GK1741931SQ20038010905
公开日2006年3月1日 申请日期2003年12月16日 优先权日2002年12月20日
发明者谷口雅人, 山田康久 申请人:日本精工株式会社