KR20070053154A

KR20070053154A - 신축 가능 샤프트

Info

Publication number: KR20070053154A
Application number: KR1020067015910A
Authority: KR
Inventors: 료우이치 토키오카; 미츠하루 오자키
Original assignee: 가부시키가이샤 제이텍트
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2007-05-23
Also published as: CN1946948A; US7753800B2; EP1790868A1; CN100472081C; US20070163825A1; DE602005022459D1; EP1790868B1; WO2006030777A1; EP1790868A4

Abstract

신축 가능 샤프트(5)는 외축(13; 13A; 13B; 13C; 13D)과, 내축(14; 14A; 14B; 14C; 14D; 14E; 14F)을 구비한다. 복수의 전동체(15)는 외축 및 내축의 궤도 홈(16; 17) 사이에 외축의 탄성 복원력에 의해 탄성적으로 끼워져 있다. 내축의 외주면(141)은 서로 평행한 한 쌍 이상의 평탄부(21; 22; 41; 42; 43; 44; 45; 46)를 포함한다. 외축의 내주면(131)은 서로 평행한 한 쌍 이상의 평탄한 규제부(31; 32; 71; 72; 73; 74)를 포함한다. 각 규제부(31; 32; 71; 72; 73; 74)는 각각 대응하는 평탄부(21; 22; 41; 42; 43; 44; 45; 46)와 맞물림으로써 외축 및 내축의 상대 회전량을 규제한다. 외축의 변형을 촉진하기 위한 변형 촉진부(33; 33A; 33B; 33C; 33D; 33E; 33F; 33G; 33H; 330)는 외축의 원주 방향의 소정 영역에 배치되어 있다. 상기 소정 영역은 외축의 궤도 홈(16)의 곡률 중심(A2) 및 외축의 중심 축선(A1)을 포함하는 평면(C1)과 규제부(31; 32; 71; 72; 73; 74) 사이의 영역이다.

신축 가능 샤프트

Description

신축 가능 샤프트{EXTENDABLE SHAFT}

본 발명은 내축 및 외축을 전동체(轉動體)를 통해 축 방향으로 상대 이동가능하게 또한 토크 전달가능하게 연결해서 이루어지는 신축 가능 샤프트에 관한 것이다.

자동차의 스티어링 장치에 있어서, 중간축은 스티어링 샤프트와 스티어링 기어 사이에 설치되어 스티어링휠에 가해지는 회전 조작력을 스티어링 기어측에 전달하는 것이다.

일반적으로, 중간축에는 내축 및 통 형상의 외축에 형성된 대응하는 궤도 홈 사이에 중간축의 축 방향으로 나란한 열을 이루는 복수의 볼을 개재시킨 볼 스플라인 구조가 채용되어 있다.

또한, 통 형상의 외축의 탄성 복원력을 이용하여 전동체에 예압(preload)을 가하는 신축 가능 샤프트가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

또한, 외축 및 내축을 함께 중공축으로 해서 외축 및 내축의 탄성 복원력을 이용하여 전동체에 예압을 가하는 신축 가능 샤프트가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).

특허문헌 1에서는 고 토크가 부하되었을 때에 내축의 외주면에 형성된 산 형 상 돌기가 외축의 내주면에 형성된 반원 형상의 오목부에 맞물림으로써 내축과 외축의 상대 회전량을 규제하고 있다.

그러나, 상기의 산 형상 돌기와 반원 형상의 오목부를 맞물리게 하는 방식에서는 각 부품의 치수 공차의 편차에 의해 내축과 외축의 상대 회전량이 커질 경우가 있다. 그 경우, 장기간의 사용에 의해 주로, 외축의 탄성이 저하되어 그 결과, 전동체에 예압을 가하지 않게 될 우려가 있다. 예압이 가해지지 않게 되면 내축과 외축 사이에 회전 방향으로 플레이(play)를 발생시켜 소음의 원인으로도 된다.

특허문헌 1: 독일 특허 출원 공개 제 DE3730393A1호 명세서

특허문헌 2: 독일 실용 신안 제 DE20318654U1호 명세서

본 발명의 목적은 장기간 사용해도 플레이를 발생시키기 어려워 내구성에 뛰어난 신축 가능 샤프트를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 형태는 외주면을 가지는 내축과, 내주면을 가지고 상기 내축에 끼워맞춰진 통 형상의 외축과, 상기 내축의 상기 외주면에 형성되고 축 길이 방향으로 연장되는 1개 이상의 궤도 홈과, 상기 외축의 상기 내주면에 상기 내축의 상기 궤도 홈과 대향하도록 형성된 1개 이상의 궤도 홈과, 상기 내축 및 상기 외축 궤도 홈의 사이에 외축의 탄성 복원력에 의해 탄성적으로 끼워진 복수의 전동체를 구비하는 신축 가능 샤프트를 제공한다.

상기 복수의 전동체는 상기 궤도 홈의 길이 방향을 따라 열을 이루어 나열되어 있다. 상기 내축의 외주면은 서로 평행한 한 쌍 이상의 평탄부를 포함한다. 상기 외축의 내주면은 서로 평행한 한 쌍 이상의 평탄한 규제부를 포함한다. 상기 규제부는 각각 대응하는 평탄부와 맞물림으로써 내축 및 외축의 상대 회전량을 규제한다. 상기 외축은 외축의 변형을 촉진하기 위한 변형 촉진부를 포함한다. 상기 변형 촉진부는 외축의 원주 방향의 소정의 영역에 배치되어 있다. 상기 소정의 영역은 외축 궤도 홈의 곡률 중심 및 외축의 중심 축선을 포함하는 평면과 각 규제부 사이의 영역이다.

본 실시형태에서는, 상용 토크가 부하될 경우는 내축과 외축 사이에서 전동체를 통해 토크가 전달된다. 고 토크가 부하될 경우는 평탄부가 각각 대응하는 규제부에 접촉함으로써 내축 및 외축의 상대 회전량이 규제된다. 따라서, 전동체나 궤도 홈의 파손을 미연에 방지할 수 있다.

내축의 서로 대향하는 한 쌍 이상의 평탄부를 이용하여 내축 및 외축의 상대 회전량을 규제하므로, 내축이나 외축의 치수 정밀도가 다소 변화하더라도 내축 및 외축의 상대 회전량이 과도하게 커지는 경우가 적다. 변형 촉진부에 의해 외축을 쉽게 벤딩(bending)할 수 있으므로, 외축이나 전동체에 부하되는 응력을 완화할 수 있다. 그 결과, 장기간에 걸쳐 전동체로의 예압력을 유지할 수 있어 내구성이 뛰어난 신축 가능 샤프트를 실현할 수 있다.

상기 변형 촉진부로서는 굴곡부를 사용해도 좋고, 박육부(薄肉部)를 사용해도 좋다. 굴곡부 또는 박육부라면 간단한 구성으로 외축의 변형을 확실하게 촉진할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태의 신축 가능 샤프트가 중간축에 적용된 스티어링 장치의 모식도이다.

도 2는 신축 가능 샤프트로서의 중간축의 단면도이다.

도 3은 신축 가능 샤프트로서의 중간축의 단면도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시형태의 신축 가능 샤프트의 단면도이다.

도 5는 신축 가능 샤프트에 볼을 조립할 때의 설명도이다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시형태의 신축 가능 샤프트의 단면도이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시형태의 신축 가능 샤프트의 단면도이다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시형태의 신축 가능 샤프트의 단면도이다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시형태의 신축 가능 샤프트의 단면도이다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시형태의 신축 가능 샤프트의 요부 개략 단면도이다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시형태의 신축 가능 샤프트의 단면도이다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시형태의 신축 가능 샤프트의 단면도이다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시형태의 신축 가능 샤프트의 단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시형태를 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 의한 신축 가능 샤프트가 중간축에 적용된 스티어링 장치의 모식도이며, 도 2 및 도 3은 신축 가능 샤프트의 단면도이다.

도 1을 참조하여, 스티어링 장치(1)는 일단에 스티어링휠 등의 조타 부재(2) 가 고정된 스티어링 샤프트(3), 이 스티어링 샤프트(3)와 유니버셜 조인트(4)를 통해 일체 회전 가능하게 연결된 신축 가능 샤프트로서의 중간축(5)을 구비한다. 또한, 스티어링 장치(1)는 상기 중간축(5)과 유니버셜 조인트(6)를 통해 일체 회전 가능하게 연결된 피니언 축(7)과, 이 피니언 축(7)에 형성된 피니언(7a)에 맞물리는 랙(rack)(8a)을 가지며 차량의 좌우 방향으로 연장되는 랙 축(8)을 구비한다.

랙 축(8)의 한 쌍의 단부에는 각각 타이 로드(tie rod)(9)가 결합되어 있다. 각 타이 로드(9)는 대응하는 너클 암(10)을 통해 각각 대응하는 조향 휠(11)에 연결되어 있다.

랙 축(8)은 도시되지 않은 베어링을 통해 하우징(12)에 의해 축 방향으로 이동 가능하게 지지되어 있다. 피니언 축(7), 랙 축(8), 타이 로드(9), 너클 암(10) 및 조향 휠(11)을 포함해서 스티어링 기구(100)가 구성되어 있다.

조타 부재(2)가 조작되어 스티어링 샤프트(3)가 회전되면, 이 회전이 피니언(7a) 및 랙(8a)에 의해 차량의 좌우 방향에 걸친 랙 축(8)의 직선 운동으로 변환된다. 이것에 의해, 조향 휠(11)의 스티어링이 달성된다.

신축 가능 샤프트로서의 중간축(5)은 통 형상의 외축(13)과, 이 외축(13)에 끼워맞춰진 내축(14)을 구비한다. 외축(13) 및 내축(14)은 복수열의 전동체로서의 볼(15)을 통해 축 길이 방향(X)으로 상대 이동가능하게 또한 토크 전달가능하게 접속되어 있다.

도 2 및 도 3을 참조하여, 외축(13)의 내주면(131) 및 내축(14)의 외주면(141)에는 각각 축 방향으로 연장되는 궤도 홈(16, 17)이 형성되어 있다. 외 축(13)의 궤도 홈(16) 및 내축(14)의 궤도 홈(17)은 서로 동수(同數)(본 실시형태에서는 한 쌍씩)가 원주 방향의 등간격에 배치되고, 서로 대향한다. 외축(13)과 내축(14)이 서로 대향하는 궤도 홈(16, 17)사이에 궤도 채널(18)이 구획되어 있다. 각 궤도 채널(18)에는 상기 볼(15)이 축 방향(X)[궤도 홈(16, 17)이 연장되는 방향]에 나란한 1개의 열을 이루어 개재된다. 각 궤도 홈(16, 17)의 단면은 볼(15)의 반경 보다도 약간 큰 반경의 원호를 이룬다. 도 2에 도시한 바와 같이, 볼(15)의 접촉각(B1)은 5 ∼ 40도의 범위로 설정되어 있다.

각 열의 볼(15)은 각각 공통의 유지기(19)에 의해 대응하는 궤도 채널(18)에 일괄해서 유지되어 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 유지기(19)는 예를 들면, 합성 수지제이며, 원호형 단면을 이루어 축 방향(X)을 따라 연장되는 장척(長尺)의 판 부재로 이루어진다. 유지기(19)는 길이 방향을 따라 소정 간격마다 나열되는 볼(15)을 위한 유지 구멍(20)을 형성하고 있다.

다시 도 2를 참조하여, 내축(13)은 중공의 축 즉, 튜브에 의해 형성되어 있다. 내축(14)의 외주면(141)에는 상호간에 2면 폭을 형성하고 서로 대향하는 2쌍의 평탄부(21, 22)가 형성되고, 외축(13)의 내주면(131)에는 내축(14)이 대응하는 평탄부(21, 22)와 각각 맞물리고 외축(13)과 내축(14)의 상대 회전량을 규제하기 위한 규제부(31, 32)가 형성되어 있다.

내축(14)의 외주면(141)에는 서로 대향해서 직경 방향 외측으로 돌출하는 사각형 단면의 한 쌍의 돌출부(25, 26)가 형성되어 있다. 한 쌍의 볼(15)이 서로 대향하는 방향과 한 쌍의 돌출부(25, 26)가 서로 대향하는 방향은 서로 직교하고 있 다. 한쪽 돌출부(25)는 그 외면에 서로 대향하는 한 쌍의 평탄부(21, 21)를 포함하고, 다른쪽 돌출부(26)는 그 외면에 서로 대향하는 한 쌍의 평탄부(22, 22)를 포함하고 있다.

또한, 외축(13)은 내축(14)과 서로 유사한 형상을 하고 있다. 외축(13)은 내축(14)의 각 돌출부(25, 26)에 각각 대응하는 위치에 직경 방향 외측으로 돌출하는 한 쌍의 돌출부(27, 28)를 형성하고 있다. 이것에 의해, 외축(13)은 그 돌출부(27, 28)의 내측에 각각 대응하는 내축의 돌출부(25, 26)를 수용하는 오목부(29, 30)를 구획하고 있다.

오목부(29)의 내면에 서로 평행한 한 쌍의 평탄부로 이루어지는 규제부(31, 31)가 형성되어 있다. 각 규제부(31)는 각각 대응하는 평탄부(21)에 대향하고 있다. 또한, 오목부(30)의 내면에 서로 평행한 한 쌍의 평탄부로 이루어지는 규제부(32, 32)가 형성되어 있다. 각 규제부(32)는 각각 대응하는 평탄부(22)에 대향하고 있다.

또한, 외축(13)은 각 돌출부(27, 28)의 기단부와 외축(13)의 나머지 원호 형상 부분의 사이는 변형 촉진부로서의 굴곡부(33)로 되어 있다. 즉, 외축(13)의 중심 축선(A1) 및 외축(13)의 각 궤도 홈(16)의 곡률 중심(A2)을 포함하는 평면(C1)과, 각 궤도 홈(16)에 각각 인접하는 규제부(31, 32) 사이의 영역에 외축(13)의 변형을 촉진하기 위한 변형 촉진부로서의 굴곡부(33)가 형성되어 있다. 굴곡부(33)는 외축(13)의 돌출부(27, 28)의 기단부에 형성되어 있다.

본 실시형태에 의하면, 상용 토크가 부하될 경우에는 내축(14)과 외축(13) 사이에서 볼(15)을 통해 토크가 전달된다. 한편, 고 토크가 부하될 경우에는 내축(14)의 각 쌍의 평탄부(21, 22)의 어느 한쪽이 외축(13)의 각각 대응하는 규제부(31, 32)에 접촉함으로써 내축(14)과 외축(13)의 상대 회전량이 규제된다. 따라서, 볼(15)이나 궤도 홈(16, 17)의 파손을 미연에 방지할 수 있다.

상호간에 2면 폭을 형성하는 한 쌍의 평탄면(21, 22)을 사용하므로, 내축(14)이나 외축(13)의 치수 정밀도가 다소 변화하더라도 내축(14)과 외축(13)의 상대 회전량이 커지는 경우가 적다.

또한, 외축(13)의 중심 축선(A1) 및 외축(13)의 각 궤도 홈(16)의 곡률 중심(A2)을 포함하는 평면(C1)과, 각 궤도 홈(16)에 각각 인접하는 규제부(31, 32)와의 사이에 변형 촉진부로서의 굴곡부(33)를 형성하고 있으므로, 외축(13)을 쉽게 벤딩할 수 있다. 따라서, 외축(13)이나 볼(15)에 부하되는 응력을 완화할 수 있다. 그 결과, 장기간에 걸쳐 볼(15)로의 예압을 유지할 수 있어 내구성이 뛰어난 신축 가능 샤프트로서의 중간축(5)을 실현할 수 있다.

또한, 변형 촉진부로서 굴곡부(33)를 이용하는 간단한 구성에 의해 외축(13)의 변형을 확실하게 촉진할 수 있다.

또한, 상기 볼(15)의 직경은 외축(13)의 외경의 10 ∼ 40%의 범위에 있는 것이 바람직하다. 즉, 볼(15)의 직경이 외축(13)의 외경의 10%미만이면 볼(15)이나 궤도 홈(16, 17)에 압흔(壓痕)이 발생할 우려가 있다. 또한, 볼(15)의 직경이 외축(13)의 외경의 40%를 초과하면 외축(13)이 대형이 되어 신축 가능 샤프트로서의 중간축(5)이 대형화된다. 대형화가 되지 않기 위해 외축(13)의 외경을 변경하지 않 고 내축(14)을 소형화했을 경우, 내축(14)이 불충분한 강도를 가지고, 또한 내륜 궤도의 접촉 직경이 감소되는 결과, 압흔이 남겨지는 것이 쉬워진다.

따라서, 볼의 직경을 외축(13)의 외경의 10 ∼ 40%의 범위로 설정함으로써 궤도 홈(16, 17) 등의 압흔 발생을 방지하면서 중간축(5)의 소형화를 도모할 수 있다. 예를 들면, 외축(13)의 외경이 30mm일 경우 볼(15)의 직경은 3 ∼ 12mm의 범위로 설정되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 볼(15)의 접촉각은 5 ∼ 40도인 것이 바람직하다. 볼의 접촉각이 5도 미만에서는 볼(15)에 관한 백래시(backlash)가 커진다. 한편, 접촉각이 40도를 초과하면 내축(14)의 2쌍의 평탄부(21, 22)가 외축의 대응하는 규제부(31, 32)에 접촉하기 어려워진다. 따라서, 볼(15)의 접촉각(B1)을 5 ∼ 40도로 함으로써 백래시를 적게 하면서, 고 토크 부하시의 내축(14)과 외축(13)의 상대 회전량을 필요한 크기로 설정할 수 있다.

또한, 각 평탄부(21, 22)와 대응하는 규제부(31, 32) 사이에 각각 형성되는 간극(S1)이 서로 동등할 때에 그 간극(S1)의 양은 0.01 ∼ 0.5mm인 것이 바람직하다. 간극(S1)이 0.01mm미만에서는 상용 토크의 전달시에 규제부(31, 32)가 작동될 우려가 있다. 또한, 간극(S1)이 0.5mm를 초과하면 외축(13)과 내축(14)의 상대 회전량이 과대하게 된다. 따라서, 간극(S1)을 0.01 ∼ 0.5mm의 범위로 설정함으로써 상대 회전량을 필요한 범위내로 설정되도록 했다.

또한, 외축(13)의 두께는 외축(13) 외경의 5 ∼ 15% 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 두께가 외축(13) 외경의 5%미만에서는 강도 부족이 우려된다. 또한, 두께가 외축(13)의 외경의 15%를 초과하면 외축(13)의 벤딩을 확보하기 어려워진다. 따라서, 외축(13)의 두께를 외축(13) 외경의 5 ∼ 15%의 범위로 설정함으로써 외축(13)의 강도를 확보하면서 외축(13)을 벤딩하기 쉽게 했다. 예를 들면, 외축(13) 외경이 30mm일 경우 외축(13)의 두께는 1.5 ∼ 4.5mm의 범위로 설정되는 것이 바람직하다.

외축(13)의 중심 축선(A1) 및 각 궤도 홈(16)의 곡률 중심(A2)을 포함하는 평면(C1)과, 각 궤도 홈(16)에 각각 인접하는 규제부(31, 32) 사이의 영역에 대응하는 외축(13)의 중심각(P1)은 30도 ∼ 60도의 범위에 있는 것이 바람직하다. 상기 중심각(P1)은 상기 평면(C1)과 대응하는 규제부(31, 32) 사이의 위상차에 상당한다.

상기 중심각(P1)이 30도 미만에서는 규제 부분에 작용하는 응력에 더해, 궤도 홈(16) 근방에 작용하는 응력이 커지게 되어 소성 변형을 발생시키기 쉬워진다는 문제가 있다. 또한, 중심각(P1)이 60도를 초과하면 규제 부분에 작용하는 응력에 더해, 돌출부(27, 28)에 작용하는 응력이 커지게 되어 소성 변형을 발생시키기 쉬워진다는 문제가 있다. 따라서, 상기 중심각(P1)을 30 ∼ 60도의 범위로 설정했다. 상기 중심각(P1)의 보다 바람직한 범위로서는 40 ∼ 50도이다.

마찬가지로, 상기 평면(C1)과 상기 굴곡부(33) 사이의 영역에 대응하는 외축의 중심각은 30 ∼ 60도의 범위에 있는 것이 바람직하다. 상기 중심각이 30도미만에서는 규제 부분에 작용하는 응력에 더해, 궤도 홈(16) 근방에 작용하는 응력이 커지게 되어 소성 변형을 발생시키기 쉬워진다는 문제가 있다. 또한, 상기 중심각 이 60도를 초과하면 규제 부분에 작용하는 응력에 더해, 돌출부(17, 18)에 작용하는 응력이 커지게 되어 소성 변형을 발생시키기 쉬워진다는 문제가 있다. 따라서, 상기의 중심각을 30 ∼ 60도의 범위로 설정했다. 상기 중심각의 보다 바람직한 범위로서는 40 ∼ 50도이다.

또한, 본 실시형태에서는 볼(15)과 평탄부(21, 22) 및 규제부(31, 32)가 동일 단면상에 배치되어 있지만, 동일 단면에 배치되어 있지 않더라도 같은 효과가 얻어진다는 것은 말할 필요도 없다.

이어서, 도 4는 본 발명의 다른 실시형태를 도시하고 있다. 도 4를 참조하여, 본 실시형태에서는 중실(中實)의 내축(14A)의 외주면(141)에 상호간 2면 폭을 형성하는 한 쌍의 평탄부(210, 210)가 형성되어 있다. 통 형상의 외축(13A) 내주면(131)에 각 평탄부(210, 210)에 각각 대향하는 평탄부(310, 310)가 형성되어 있다. 각 평탄부(310)의 길이 방향의 한쪽 단부에 규제부(311)가 형성되고, 다른쪽 단부에 규제부(312)가 형성되어 있다.

또한, 외축(13A)의 중심 축선(A1) 및 각 궤도 홈(16)의 곡률 중심(A2)을 포함하는 평면(C1)과 인접하는 규제부(311, 312) 사이의 영역에 서로 역방향으로 굴곡하는 한 쌍의 굴곡부(33A, 33B)가 외축(13A)의 원주 방향으로 격리되어 형성되어 있다. 즉, 한 쌍의 굴곡부(33A, 33B)에 의해 파형(波形)을 나타내고 있다.

본 실시형태에 있어서도, 도 2의 실시형태와 마찬가지의 작용 효과를 발휘할 수 있다. 즉, 내축(14A)이나 외축(13A)의 치수 정밀도가 다소 변하더라도 내축(14A) 및 외축(13A)의 상대 회전량이 커지게 되는 경우가 적다.

외축(13A)의 중심 축선(A1) 및 각 궤도 홈(16)의 곡률 중심(A2)을 포함하는 평면(C1)과, 각 궤도 홈(16)에 각각 인접하는 규제부(311, 312) 사이의 영역에 변형 촉진부로서의 파형을 나타내는 한 쌍의 굴곡부(33A, 33B)를 설치하고 있으므로, 외축(13A)을 보다 쉽게 벤딩할 수 있고, 외축(13A)이나 볼(15)에 부하되는 응력을 완화할 수 있다. 그 결과, 장기간에 걸쳐 볼(15)로의 예압을 유지할 수 있어 내구성에 뛰어난 신축 가능 샤프트로서의 중간축(5)을 실현할 수 있다. 또한, 변형 촉진부로서 굴곡부(33A, 33B)를 채용하는 간단한 구성에 의해 외축(13A)의 변형을 확실하게 촉진할 수 있다.

또한, 조립시에 있어서, 도 5에 도시한 바와 같이, 외축(13A)의 한 쌍의 평탄부(310, 310)를 외측으로부터 힘(F)을 가해 끼움으로써 외축(13A)의 궤도 홈(16)을 외측[화살표(G) 참조]으로 확장할 수 있다. 이것에 의해, 조립시에 볼(15)을 궤도 홈(16, 17) 사이에 쉽게 조립할 수 있다.

또한, 외축(13A)의 중심 축선(A1) 및 각 궤도 홈(16)의 곡률 중심(A2)을 포함하는 평면(C1)과 각 궤도 홈(16)에 각각 인접하는 규제부(311, 312) 사이의 영역에 대응하는 외축(13A)의 중심각(P2)은 30 ∼ 60도의 범위에 있는 것이 바람직하다. 상기 중심각(P2)이 30도미만에서는 규제 부분에 작용하는 응력에 더해, 궤도 홈(16) 근방에 작용하는 응력이 커지게 되어 소성 변형을 발생시키기 쉬워진다고는 문제가 있다. 또한, 상기 중심각(P2)이 60도를 초과하면 규제 부분에 작용하는 응력에 더해, 돌출부(27, 28)에 작용하는 응력이 커지게 되어 소성 변형을 발생시키기 쉬워진다는 문제가 있다. 따라서, 상기 중심각(P2)을 30 ∼ 60도의 범위로 설정 했다. 상기의 중심각(P2)의 보다 바람직한 범위로서는 40 ∼ 50도이다.

또한, 각 평면(C1)과 상기 평면(C1)으로부터 먼 측의 굴곡부(33B) 사이의 영역에 대응하는 외축(13A)의 중심각은 30 ∼ 60도의 범위에 있는 것이 바람직하다. 상기 중심각이 30도미만에서는 규제 부분에 작용하는 응력에 더해, 궤도 홈(16) 근방에 작용하는 응력이 커지게 되어 소성 변형을 발생시키기 쉬워진다는 문제가 있다. 또한, 상기 중심각이 60도를 초과하면 규제 부분에 작용하는 응력에 더해, 돌출부(27, 28)에 작용하는 응력이 커지게 되어 소성 변형을 발생시키기 쉬워진다는 문제가 있다. 따라서, 상기 중심각을 30 ∼ 60도의 범위로 설정했다. 상기 중심각의 보다 바람직한 범위로서는 40 ∼ 50도이다.

또한, 도 4의 실시형태에 있어서 내축(14A)을 중공의 축 즉, 튜브를 사용해서 형성해도 좋다.

이어서, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시형태를 도시하고 있다. 도 6을 참조하여, 본 실시형태에서는 별 형을 이루는 통 형상의 외축(13B)과 동일하게 서로 유사한 별형을 이루는 내축(14B)을 사용했다. 본 실시형태에서는 외축(13B)의 전체 둘레에 분산되고 교대로 역방향으로 굴곡하는 굴곡부(33C ∼ 33F)를 배치하게 되므로, 외축(13B)을 보다 쉽게 벤딩할 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 내축(14B)을 중공의 축으로 해도 좋다.

또한, 각 평면(C1)과 규제부(31, 32) 사이의 영역에 대응하는 외축(13B)의 중심각(P2)이 30 ∼ 60도의 범위에 있으므로, 상기 규제부(311, 312)가 스톱퍼로서의 기능을 충분히 발휘하기 쉽다. 적극적으로 이 위치에서 외축(13B)과 내축(14B) 의 상대 회전을 규제하는 것이 바람직하다.

이어서, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시형태를 도시하고 있다. 도 7을 참조하여, 본 실시형태의 특징으로 하는 바는, 외축(13C)을 뿔(角) 형상의 튜브에 의해 형성함과 아울러, 내축(14C)도 이것에 상호 유사한 중실(中實)의 뿔 형상의 축으로 형성했다. 외축(13C)의 뿔 형상의 서로 대향하는 한 쌍의 코너부(132, 132)에 볼(15)을 위한 궤도 홈(16)이 각각 형성되어 있다. 각 코너부(132, 132)에는 상기 코너부(132, 132)의 원래의 R형상 부분을 이용해서 직경 방향 외측으로 돌출하는 산 형상의 돌출부(51, 52)가 팽출(膨出) 형성되고, 각 돌출부(51, 52)의 기단부에 변형 촉진부로서의 굴곡부(33G, 33H)가 형성되어 있다.

본 실시형태에 의하면, 뿔 형상의 튜브를 소재로 해서 궤도 홈(16)이 형성된 외축(13C)을 용이하게 또한 염가로 제조할 수 있다. 또한, 뿔 형상 튜브의 각 변을 내축(14C)의 2면 폭을 형성하는 한 쌍의 평탄부(21, 22)에 각각 대응하는 규제부(31, 32)로서 그대로 이용할 수 있어, 이 점에서도 제조 비용을 저렴하게 할 수 있다. 규제부(31, 32)는 볼(15)을 배치하지 않은 코너부(133, 133)의 근방에 배치된다.

또한, 도 8에 도시한 바와 같이, 유지기(19A)로서 내축(14C)을 둘러싸는 사각 통 형상의 유지기를 이용할 수 있다. 이 경우, 유지기(19A)는 규제부(31, 32)가 배치되는 코너부(133)를 포함하는 영역에 대응하여 개구(191)를 형성하게 된다. 이 경우, 통 형상을 이루는 유지기(19A)를 이용해서 각 열의 볼(15)을 일괄해서 조립할 수 있어 조립성을 향상할 수 있다.

이어서, 도 9는 본 발명의 또 다른 실시형태를 도시하고 있다. 도 9를 참조하여, 본 실시형태의 특징으로 하는 바는 하기와 같다. 즉, 외축(13D)은 전체 둘레에 걸쳐 거의 균일한 두께를 가지는 튜브에 의해 형성되어 있다. 외축(13D)의 기본 형상은 단면 원형이다. 또한, 내축(14D)의 기본 형상은 단면 구형이다.

내축(14D)의 외주면(141)은 서로 대향하는 제 1 쌍의 평탄부(41, 42)와, 서로 대향하는 제 2 쌍의 평탄부(43, 44)와, 서로 대향하는 제 3 쌍의 평탄부(45, 46)를 가지고 있다. 내축(14D)의 외주면(141)에는 내축(14D)의 단면 중심을 사이에 두고 대향하는 한 쌍의 궤도 홈(17)이 형성되어 있다. 평탄부(41) 및 평탄부(43)는 동일 평면상에 배치되고, 평탄부(41)와 평탄부(43) 사이에 한쪽의 궤도 홈(17)이 배치되어 있다. 또한, 평탄부(42) 및 평탄부(44)는 동일 평면상에 배치되고, 평탄부(42)와 평탄부(44) 사이에 다른쪽의 궤도 홈(17)이 배치되어 있다.

외축(13D)의 내주면(131)에는 내축(14D)의 궤도 홈(17)과 각각 대향하는 한 쌍의 궤도 홈(16)과, 평탄부(41, 42, 43, 44)와 각각 간극을 두고 대향하는 규제부(71, 72, 73, 74)가 형성되어 있다. 외축(13D)은 직경 방향 외측으로 돌출하는 한 쌍의 산 형상의 돌출부(53, 54)를 가지고 있으며, 각 돌출부(53, 54)의 내측에 형성되는 오목부에 의해 각각 대응하는 궤도 홈(16)이 형성되어 있다.

또한, 외축(13D)은 서로 대향하는 한 쌍의 대향부(75, 76)를 가지고 있다. 한 쌍의 대향부(75, 76)는 내축(14D)의 평탄부(45, 46)에 각각 대향하고 있다. 한 쌍의 대향부(75, 76)의 단면은 외축(13D)의 중심 축선(A1)을 중심으로 하는 원호 형상을 하고 있다. 외축(13D)의 중심 축선(A1) 및 외축(13D)의 각 궤도 홈(16)의 곡률 중심(A2)을 포함하는 평면(C1)과, 각 궤도 홈(16)에 각각 인접하는 규제부(71, 72, 73, 74) 사이에 각각 변형 촉진부로서의 굴곡부(330)가 형성되어 있다. 굴곡부(330)는 외축(13D)의 외주면의 일부를 움푹 들어가게 해서 직경 방향 내부로 돌출하는 돌출부에 의해 형성되어 있다.

외축(13D)은 외축(13D)의 원주 방향에 관해서 상기 한 쌍의 대향부(75, 76) 사이에 배치되는 한 쌍의 잔여부(77, 78)를 포함하고 있다. 한쪽 잔여부(77)의 내주면에 한쪽 궤도 홈(17)과 한 쌍의 규제부(71, 73)가 형성되어 있다. 한 쌍의 규제부(71, 73) 사이에 한쪽 궤도 홈(16)이 배치되어 있다. 또한, 다른쪽 잔여부(78)의 내주면에 다른쪽 궤도 홈(16)과 한 쌍의 규제부(72, 74)가 형성되어 있다. 한 쌍의 규제부(72, 74) 사이에 다른쪽 궤도 홈(16)이 배치되어 있다.

궤도 홈(16), 굴곡부(330), 규제부(71 ∼ 74) 및 대향부(75, 76) 각각의 사이는 외축(13D)의 두께 보다도 큰 곡률 반경을 가지는 곡선으로 매끄럽게 연속되도록 되어 있다. 또한, 외축(13D)의 돌출부(53, 54)의 탑(top)부는 대향부(75, 76)의 외주를 포함하는 원주(C2)상에 배치되어 있는 것이 바람직하다.

본 실시형태에 의하면, 외축(13D)에 있어서 규제부(71 ∼ 74)를 궤도 홈(16)에 근접시켜서 배치하고 있다. 궤도 홈(16)과 그 양측에 근접한 규제부(71 ∼ 74)를 제외한 나머지 부분은 외축(13D)의 중심 축선(A1)을 중심으로 하는 원호 형상을 이루는 한 쌍의 대향부(75, 76)가 되고, 외축(13D)의 원주 방향에 관해서 넓은 영역으로 되어있다. 따라서, 외축(13D)의 회전 방향의 비틀림(torsion) 양을 크게 확보할 수 있다.

구체적으로는, 각 대향부(75, 76)의 각각에 대응하는 외축(13D)의 중심각(P3)은 70도 ∼ 110도의 범위로 설정되어 있다. 상기 중심각(P3)을 70도이상으로 함으로써 외축(13D)의 충분한 비틀림 강도를 확보할 수 있다. 또한, 상기 중심각(P3)을 110도이하로 한 것은 잔여부(77, 78)에 궤도 홈(16)과 규제부(71 ∼ 74)를 배치하는 공간을 확보하기 위해서이다.

또한, 외축(13D)에 있어서 외축(13D)의 중심 축선(A1) 및 각 궤도 홈(16)의 곡률 중심(A2)을 포함하는 평면(C1)과 각 궤도 홈(16)에 각각 인접하는 규제부(71, 72, 73, 74) 사이의 영역에 대응하는 외축(13D)의 중심각(P4)은 15도 ∼ 25도의 범위로 되어 있다.

또한, 상기한 바와 같이, 비틀림 양을 크게 확보할 수 있는 원호 형상의 대향부(75, 76)를 규제부(71 ∼ 74)에 매끄럽게 연속시키고 있으므로, 궤도 홈(16)이나 규제부(71 ∼ 74)에 있어서의 응력 집중을 완화할 수 있다. 그 결과, 외축(13D)의 강도나 내구성이 향상된다.

또한, 만일, 모든 볼(15)이 궤도 홈(16, 17)으로부터 탈락되었을 경우에도 평탄부(41 ∼ 44)와 규제부(71 ∼ 74)의 맞물림에 의해 양축(13D, 14D) 사이에 토크를 전달할 수 있어 그 결과, 스티어링 기능을 확보할 수 있다.

또한, 내축(14D)에 있어서도 양축(13D, 14D)의 회전 규제를 위한 평탄부(41 ∼ 44)를 각 궤도 홈(17)에 근접시켜서 배치하고 있으므로, 내축(14D)의 두께 감소가 가능해진다. 그 결과, 내축(14D)의 경량화를 달성할 수 있다.

이어서, 도 1O은 본 발명의 또 다른 실시형태를 도시하고 있다. 도 1O을 참 조하여, 본 실시형태가 도 9의 실시형태와 상이한 것은, 제 3 쌍의 평탄부(45, 46)를 대신하여 두께 감소화를 도모하기 위한 기복부(起伏部)(47, 48)를 설치한 점에 있다. 도 10에 있어서, 일점쇄선으로 도시한 라인(L1, L2)이 도 9의 실시형태의 평탄부(45, 46)의 위치에 상당한다.

각 기복부(47, 48)에는 볼록조(49)와 한 쌍의 오목조(50)가 내축(14E)의 축방향으로 연장되도록 형성되어 있다. 볼록조(49)의 윤곽은 외축(13D)의 중심 축선(A1)을 중심으로 하는 원주를 따르는 원(circle)형이 되고, 이것에 의해, 내축(14E)의 비틀림 강도를 확보하고 있다. 오목조(50)는 매끄로운 만곡 형상의 단면을 이루고 있다.

본 실시형태에 의하면, 내축(14E)의 비틀림 강도를 확보하면서 경량화를 도모할 수 있다. 나아가서는, 신축 가능 샤프트로서의 중간축(5)의 경량화를 도모할 수 있다.

이어서, 도 11은 본 발명의 또 다른 실시형태를 도시하고 있다. 도 11을 참조하여, 본 실시형태가 도 9의 실시형태와 상이한 것은 내축(14F)으로서 튜브를 이용하여 중공 형상으로 해서 경량화를 꾀한 점에 있다. 또한, 제 3 평탄부(45, 46)를 대신하여 완만한 산 형상으로 직경 방향 외측으로 돌출하는 팽출부(55)를 형성하고 있다. 이것은 튜브로 이루어지는 내축(14F)의 비틀림 강도를 도 9의 실시형태의 중실 내축(14D)의 강도와 동등하게 하기 위해서이다.

본 실시형태에 의하면, 내축(14F)의 비틀림 강도를 확보하면서 경량화를 도모할 수 있다. 나아가서는, 신축 가능 샤프트로서의 중간축(5)의 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 각 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 상기 각 실시형태에 있어서, 도 12에 도시한 바와 같이, 유지기를 생략해서 볼만을 사용하고, 열을 이루는 볼(15)의 전후에서 예를 들면, 압축 코일 스프링 등의 푸싱 부재(pushing member)(61)를 이용해서 볼(15)을 양측으로부터 푸싱하도록 해도 좋다. 그 경우, 외축(13) 및 내축(14)에 볼 탈락 방지부로서의 소성 변형부(62, 63)를 각각 설치하여 볼(15)의 탈락 방지 기능을 달성시켜도 좋다.

또한, 상기 각 실시형태로 있어서, 변형 촉진부로서, 도 13에 도시한 바와 같이, 박육부(65)를 사용해도 좋다. 굴곡부를 박육부로 구성해도 좋다.

또한, 상기 각 실시형태에 있어서, 외축 및 내축의 적어도 한쪽의 표면경도를 비커스 경도로 400 ∼ 550Hv의 범위로 하는 것이 바람직하다. 표면경도가 400Hv미만에서는 볼(15)의 표면경도가 일반적으로 700Hv정도이며, 경도차가 크기 때문에 압흔이 쉽게 발생된다. 외축 및 내축의 적어도 한쪽의 표면경도가 550Hv를 초과하면 경화 처리시의 열변형에 의해 축에 벤딩을 발생시켜버릴 우려가 있다. 따라서, 상기의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 다만, 외축 및 내축의 적어도 한쪽에 질화 처리를 실시할 경우에는 열변형을 억제하면서 표면경도를 700Hv정도까지 경화시킬 수 있으므로 바람직하다.

또한, 상기 각 실시형태에 있어서, 외축 및 내축의 적어도 한쪽을 크롬강이나 크롬 몰리브덴강으로 형성하는 것이 허용 응력을 높여 안전율을 높게 설정할 수 있다는 점에서 바람직하다.

또한, 상기 각 실시형태에 있어서, 외축 및 내축의 적어도 한쪽이 정제된 재 료[담금질(quenching)되고, 템퍼링(tempering)된 재료]에 의해 형성되어 있다면 허용 응력을 높여 안전율을 높게 설정할 수 있다는 점에서 바람직하다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시형태에 의해 상세히 설명했지만, 상기 내용을 이해한 당업자는 그 변경, 개선 및 균등물을 용이하게 생각해낼 것이다.

Claims

외주면을 가지는 내축과,

내주면을 가지고 상기 내축에 끼워맞춰진 통 형상의 외축과,

상기 내축의 상기 외주면에 형성되고 축 길이 방향으로 연장되는 1개 이상의 궤도 홈과,

상기 외축의 상기 내주면에 상기 내축의 상기 궤도 홈과 대향하도록 형성된 1개 이상의 궤도 홈과,

상기 내축 및 상기 외축의 궤도 홈의 사이에 외축의 탄성 복원력에 의해 탄성적으로 끼워진 복수의 전동체를 구비하는 신축 가능 샤프트로서:

상기 복수의 전동체는 상기 궤도 홈의 길이 방향을 따라 열을 이루어 나열되어 있고,

상기 내축의 외주면은 서로 평행한 한 쌍 이상의 평탄부를 포함하며,

상기 외축의 내주면은 서로 평행한 한 쌍 이상의 평탄한 규제부를 포함하고,

상기 규제부는 각각 대응하는 평탄부와 맞물림으로써 내축 및 외축의 상대 회전량을 규제하며,

상기 외축은 외축의 변형을 촉진하기 위한 변형 촉진부를 포함하고,

상기 변형 촉진부는 외축의 원주 방향의 소정 영역에 배치되며,

상기 소정 영역은 외축 궤도 홈의 곡률 중심 및 외축의 중심 축선을 포함하는 평면과 각 규제부 사이의 영역인 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 1 항에 있어서,

상기 변형 촉진부는 1개 이상의 굴곡부를 포함하는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 1 항에 있어서,

상기 변형 촉진부는 복수의 굴곡부를 포함하고, 상기 외축의 상기 소정 영역은 파형을 이루는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 1 항에 있어서,

상기 외축은 상대적으로 두꺼운 부분과 상대적으로 얇은 부분을 포함하고, 상기 변형 촉진부는 상기 상대적으로 얇은 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 1 항에 있어서,

상기 내축에 직경 방향 외측으로 돌출하는 사각형 단면의 돌출부가 형성되고,

상기 외축에 상기 돌출부를 수용하는 사각형 단면의 오목부가 형성되며,

상기 평탄부는 상기 내축의 돌출부의 외면에 형성된 평탄부를 포함하고,

상기 규제부는 상기 외축의 오목부의 내면에 설치된 규제부를 포함하는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 5 항에 있어서,

상기 외축에 직경 방향 외측으로 돌출하는 사각형 단면의 돌출부가 형성되고,

상기 외축의 상기 돌출부의 내측에 상기 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 6 항에 있어서,

상기 외축의 상기 돌출부의 기단부에 변형 촉진부로서 굴곡부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 5 항에 있어서,

상기 내축에 2개의 궤도 홈 및 2개의 돌출부가 형성되고,

상기 2개의 돌출부는 내축의 직경 방향에 대향하며,

상기 외축에 2개의 오목부가 형성되며,

각 상기 돌출부는 각각 대응하는 오목부에 수용되고,

상기 2개의 돌출부가 대향하는 방향은 상기 내축의 상기 2개의 궤도 홈이 대향하는 방향과 직교하는 방향인 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 1 항에 있어서,

상기 외축은 원주 방향으로 간격을 두고 배치되며, 교대로 역방향으로 경사지는 복수의 굴곡부를 포함해서 별 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 1 항에 있어서,

상기 외축은 실질적으로 뿔 형상의 튜브를 포함하고,

상기 외축의 궤도 홈은 상기 뿔 형상의 튜브의 서로 대향하는 한 쌍 이상의 코너부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 10 항에 있어서,

상기 궤도 홈이 형성된 코너부에 각각 직경 방향 외측으로 돌출하는 돌출부가 형성되고, 각 돌출부의 기단부에 변형 촉진부로서 굴곡부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 10 항에 있어서,

상기 내축의 주위를 둘러싸는 통 형상의 유지기를 구비하고,

각 궤도 홈에 대응해서 열을 이루는 전동체가 각각 상기 유지기에 의해 유지되어 있는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 1 항에 있어서,

상기 내축 및 상기 외축의 단부에 설치되며 상기 궤도 홈으로부터의 상기 전동체의 탈락을 방지하기 위한 한 쌍 이상의 스톱퍼를 구비하고,

상기 스톱퍼는 내축 및 외축에 각각 형성된 한 쌍의 소성 변형부를 포함하는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 1 항에 있어서,

상기 전동체는 외축의 외경의 10 ∼ 40%의 직경을 가지는 볼을 포함하는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 14 항에 있어서,

상기 외축의 두께는 외축의 외경의 5 ∼ 15%인 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 14 항에 있어서,

상기 볼의 접촉각은 5 ∼ 40도의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 1 항에 있어서,

상기 소정 영역에 대응하는 외축의 중심각은 30도 ∼ 60도의 범위에 있는 것 을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 1 항에 있어서,

상기 소정 영역에 대응하는 외축의 중심각은 40도 ∼ 50도의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 1 항에 있어서,

상기 외축의 궤도 홈의 곡률 중심 및 외축의 중심 축선을 포함하는 상기 평면과 상기 변형 촉진부 사이의 영역에 대응하는 외축의 중심각은 30도 ∼ 60도의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 1 항에 있어서,

상기 외축의 궤도 홈의 곡률 중심 및 외축의 중심 축선을 포함하는 상기 평면과 상기 변형 촉진부 사이의 영역에 대응하는 외축의 중심각은 40도 ∼ 50도의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 1 항에 있어서,

상기 외축은 외축의 직경 방향으로 서로 대향하는 한 쌍의 대향부를 포함하고,

상기 한 쌍의 대향부의 각각의 단면은 외축의 중심 축선을 중심으로 하는 원 호 형상을 이루고 있으며,

상기 외축은 외축의 원주 방향에 관해서 상기 한 쌍의 대향부 사이에 배치되는 한 쌍의 잔여부를 포함하고,

상기 외축의 궤도 홈은 한쪽 잔여부의 내주면에 형성된 궤도 홈과, 다른쪽 잔여부의 내주면에 형성된 궤도 홈을 포함하며,

상기 외축의 규제부는 한쪽 잔여부의 내주면에 형성된 한 쌍의 규제부와, 다른쪽 잔여부의 내주면에 형성된 한 쌍의 규제부를 포함하는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 21 항에 있어서,

상기 한 쌍의 대향부의 각각에 대응하는 외축의 중심각은 7O도 ∼ 11O도의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.
제 22 항에 있어서,

상기 소정 영역에 대응하는 외축의 중심각은 15도 ∼ 25도의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 신축 가능 샤프트.