JP4983816B2

JP4983816B2 - 自在継手

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Publication number: JP4983816B2
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Authority: JP
Inventors: 篤志前田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2029-02-09
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Description

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自在継手の改良に関する。具体的には、防食等の為に表面を塗装した構造に関して、塗膜の端部に存在する微小段差に基づくシール性低下を防止するものである。

自動車のステアリング装置は、例えば特許文献１〜２に記載されている如く、図８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３、中間シャフト４、別の自在継手３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、上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。

こ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９〜１０は、上記特許文献１〜２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の１例を示している。尚、図９〜１０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説明する。

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股状に形成された１対のヨーク８ａ、８ｂ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９とから構成される。これら各ヨーク８ａ、８ｂの両端部には、互いに同心の円孔１０、１０を形成している。そしてこれら各円孔１０、１０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１１、１１を、互いの開口を対向させた状態で内嵌固定している。又、上記十字軸９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個所の軸部１２、１２を有する。即ち、中心部に設けた結合基部１３の円周方向等間隔４箇所位置に、それぞれ上記各軸部１２、１２の基端部を結合固定している。これら各軸部１２、１２の中心軸は、同一平面上に存在する。

この様な各軸部１２、１２の軸方向中間部乃至先端部は、上記各軸受カップ１１、１１内に挿入している。そして、これら各軸受カップ１１、１１の内周面と上記各軸部１２、１２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１４、１４を設け、上記十字軸９に対して上記各ヨーク８ａ、８ｂ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８ａ、８ｂの中心軸同士が一致しない状態でも、これら両ヨーク８ａ、８ｂ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。

上述の様な自在継手３、３のうち、車室外に設置する（図８で下側の）自在継手３の場合には、上記十字軸９を構成する上記各軸部１２、１２の基端部（上記結合基部１３側の端部）と上記各軸受カップ１１、１１の開口部との間に、それぞれシールリング１５、１５を設けている。そして、これら各シールリング１５、１５により、上記各ラジアル軸受１４、１４の設置部分に泥水等が進入するのを防止し、上記自在継手３の耐久性の確保を図っている。上記各シールリング１５、１５はそれぞれ、芯金１６により弾性材１７を補強して成る。このうちの芯金１６は、軟鋼板等の金属板により、断面Ｌ字形で全体を円環状に形成している。又、上記弾性材１７は、ゴムの如きエラストマー製で、上記芯金１６を全周に亙り覆っており、ラジアルシールリップ１８とスラストシールリップ１９との、１対のシールリップ１８、１９を有する。

それぞれがこの様な構成を有する、上記各シールリング１５、１５は、上記芯金１６を包埋した基部を上記各軸部１２、１２の基端部に締り嵌めで（弾性材１７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１２、１２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１２、１２の基端部に上記各シールリング１５、１５を支持し、上記十字軸９と上記各軸受カップ１１、１１とを組み合わせた状態で、上記各シールリップ１８、１９のうちのラジアルシールリップ１８のシール縁は、上記各軸受カップ１１、１１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、上記スラストシールリップ１９のシール縁は、上記各軸受カップ１１、１１の開口部に形成された内向鍔部２０の外面（上記結合基部１３に対向する面）に、全周に亙り弾性的に当接する。

更に、上記各軸部１２、１２中心部にはそれぞれ有底の挿入孔２１、２１を、これら各軸部１２、１２の先端面に開口する状態で、上記各軸部１２、１２の軸方向に形成している。そして、これら各挿入孔２１、２１の内側に、合成樹脂製のピン２２、２２を挿入している。これら各ピン２２、２２は、上記各軸受カップ１１、１１と上記各軸部１２、１２との間で突っ張る事により、これら各軸受カップ１１、１１の開口端部と前記基部１３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１９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９と上記各軸受カップ１１、１１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１５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１５の圧縮量が低下し過ぎて、このシールリング１５によるシール性が損なわれる事を防止する。上記各ピン２２、２２は、軸方向に弾性変形しつつ、上述の様なスラスト荷重を支承する。そして、この弾性変形に伴う軸方向寸法の変化分、自在継手３の構成部材８ａ、８ｂ、９、１１、１５の寸法精度及び組立精度を特に高くしなくても、上記各シールリング１５、１５の圧縮量を適性範囲に保持できる。

但し、上述の様なピン２２、２２を設けない、十字軸式の自在継手に就いても、例えば特許文献３〜４に記載される等により、従来から広く知られている。図１１は、このうちの特許文献４に記載された、自在継手の構造を示している。この従来構造の第２例の場合、軸受カップ１１ａの底部２３の内面中央寄り部分に突条２４、２４を形成し、これら各突条２４、２４の先端縁を、十字軸を構成する軸部１２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、上記軸受カップ１１ａと上記軸部１２との間に設けるシールリング１５（図１０参照）の圧縮量を適性範囲に保持できる。

何れの構造の場合でも、自在継手の運転時に、上記軸部１２の上記軸受カップ１１、１１ａ内への挿入量が変化する。そして、この挿入量の変化に伴って、この軸受カップ１１、１１ａの内面と上記軸部１２の外面との間に存在して前記ラジアル軸受１４を設置し、上記シールリング１５により外部空間と遮断された、内部空間２５内の気圧が変化する。即ち、前述した様に、自在継手３の使用時に前記十字軸９と上記各軸受カップ１１との間にはスラスト荷重が加わる。そして、このスラスト荷重に基づく構成各部材の弾性変形分、上記軸部１２の上記軸受カップ１１、１１ａ内への挿入量が変化する。この様な挿入量の変化は、前記図１０に示す様なピン２２、２２を設けた構造の場合に著しくなるが、図１１に示す様な構造の場合にも、軸受カップ１１ａの底部２３等の弾性変形に伴って発生する。そして、何れの場合でも、上記シールリング１５により外部空間と遮断された、内部空間２５内の気圧が変化する。又、この気圧が変化すると同時に、前記ラジアルシールリップ１８の先端縁が、上記軸受カップ１１、１１ａの外周面を軸方向に変位する。

例えば、上記軸受カップ１１、１１ａ内への上記軸部１２の挿入量が低減する（抜き出し方向に変化する）際には、上記内部空間２５内の気圧が低下すると同時に、上記ラジアルシールリップ１８が上記軸受カップ１１、１１ａに対して、図１２の矢印イ方向に変位する。この際、この軸受カップ１１、１１ａの姿勢によっては、この軸受カップ１１、１１ａの外周面に付着していた、泥水等の異物が、矢印ロで示す様に、上記ラジアルシールリップ１８の先端縁と上記軸受カップ１１、１１ａの外周面との擦れ合い部を通過して、このラジアルシールリップ１８とスラストシールリップ１９との間に存在する間空間２６内に吸い込まれ、この間空間２６内に溜る可能性がある。この様にしてこの間空間２６内に溜った異物は、次に上記内部空間２５内の気圧が低下する際に、矢印ハで示す様に、上記スラストシールリップ１９の先端縁と内向鍔部２０の外面との擦れ合い部を通過して、上記内部空間２５内に入り込む可能性がある。この内部空間２５内に異物が入り込んだ場合には、前記ラジアル軸受１４の転がり接触部が損傷する等、自在継手の耐久性を低下させてしまう。

特許文献５には、スラストシールリップの先端部に環状溝を形成する事により、このスラストシールリップのシール縁と軸受カップの内向鍔部との当接状態を改善する構造が記載されている。この様な構造を採用すれば、上記間空間２６内に溜った異物が更に上記内部空間２５内に迄入り込むのを抑える事はできる。但し、この間空間２６内に異物が溜った状態では、たとえ上記スラストシールリップのシール性を向上させても、長期間に亙る使用に伴って、上記内部空間２５内に異物が入り込む事を十分に防止する事は難しい。

特開平８−１３５６７４号公報特開平９−６０６５０号公報特開平６−２８０８９０号公報特開平７−２０８４９２号公報特開２００６−２９５５１号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、外部空間に存在する異物が内部空間に入り込むのを有効に防止できる構造を実現すべく発明したものである。

本発明の自在継手は、前述した従来から知られている自在継手と同様に、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、４個のシールリングとを備える。
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、上記各円孔は、上記両ヨークの両端部に互いに同心に形成されている。
又、上記各軸受カップは、それぞれが有底円筒状であって、互いの開口を対向させた状態で、上記各円孔の内側に内嵌固定されている。
又、上記十字軸は、結合基部の外周面に４本の軸部を放射状に固設して成り、これら各軸部を上記各軸受カップ内に挿入した状態で、上記両ヨークと組み合わされている。
又、上記各ラジアル軸受は、上記各軸受カップの内周面と上記各軸部の外周面との間に設けられている。
又、上記各シールリングは、上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上記各軸受カップの開口部との間に設けられている。
そして、上記各シールリングは、これら各軸受カップの外周面のうちで開口寄り端部に全周に亙り当接するラジアルシールリップと、この軸受カップの開口端部に設けられた内向鍔部の外面に全周に亙り当接するスラストシールリップとを備える。

特に、本発明の自在継手に於いては、上記各ラジアルシールリップが、先端部が二股に形成されて、軸方向に離隔した１対のシール縁を有する。そして、これら両シール縁同士の間に存在して内径側を上記軸受カップの外周面により塞がれた密閉空間の容積を、上記各シールリングにより外部空間と遮断された内部空間の容積が、上記軸部と上記軸受カップとが中立状態から相対変位する事に伴って変化する、変化量（減少量、増加量）以上としている。

この様な本発明の自在継手を実施する場合に好ましくは、請求項２に記載した発明の様に、上記軸部と上記軸受カップとの相対変位に伴う内部空間の容積の変化量を、幾何学的に求められる、上記内部空間の容積の変化量以下とする。この幾何学的に求められる内部空間の容積の減少量とは、中立状態での軸部の先端面と軸受カップの底部内面との間に存在する隙間の最小厚さ分だけ、この軸部がこの軸受カップ内に入り込んだと仮定した場合に、この最小厚さとこの軸部の断面積との積として求められる容積である。

但し、上記密閉空間の容積を、上記内部空間の容積の最大変化量以上確保する事もできる。即ち、上記軸受カップに対して上記軸部が軸方向に変位する全ストローク｛中立位置を中心として両方向に変位する変位量（減少量、増加量）の合計｝に基づく、上記内部空間の容積変化量以上に、上記密閉空間の容積を確保する事もできる。但し、この密閉空間の容積は、この全ストロークに基づく、上記内部空間の容積変化量を大きく上回る程大きくする事は無駄である。言い換えれば、上記密閉空間の容積の最大値を、上記全ストロークに基づく上記容積変化量で規制する事もできる。

上述の様に構成する本発明の自在継手によれば、外部空間に存在する異物が、ラジアルシールリップを越えて、このラジアルシールリップとスラストシールリップとの間に存在する間空間に入り込む事を防止できる。即ち、軸受カップと軸部との軸方向に関する相対変位に伴って内部空間の気圧が低下した場合、外部空間に存在する泥水等の異物が、上記ラジアルシールリップの先端縁と上記軸受カップの外周面との当接部（摺接部）を通じて吸い込まれる可能性がある。本発明の場合には、この様にして吸い込まれた異物が、上記ラジアルシールリップを構成する１対のシール縁同士の間に存在する密閉空間内に止まり、上記間空間に迄入り込む事はない。この為、上記異物が、この間空間よりも更に奥に存在する内部空間に入り込む事もなく、この内部空間に設置したラジアル軸受の損傷を防止して、自在継手の耐久性向上を図れる。

［実施の形態の第１例］
図１〜３は、本発明の実施の形態の第１例を示している。尚、本例を含めて、本発明の特徴は、自在継手の運転時に発生する、十字軸９の軸部１２と、ヨークの円孔１０に内嵌した軸受カップ１１との軸方向変位に拘らず、外部空間に存在する異物が間空間２６に入り込む事を防止して、この異物が内部空間２５に迄達する事を効果的に防止する為の構造にある。その他の部分の構造及び作用は、前述の図９〜１０に示した従来構造の第１例、或は、前述の図１１に示した従来構造の第２例と同様であるから、重複する図示並びに説明は、省略若しくは簡略にし、以下、本発明の特徴部分を中心に説明する。

上記軸部１２の基端部（図１〜２の下端部）と上記軸受カップ１１の開口側端部（図１〜２の下端部）との間に、芯金１６と弾性材１７ａとから成るシールリング１５ａを設けている。この弾性材１７ａは、ラジアルシールリップ１８ａとスラストシールリップ１９との、１対のシールリップ１８ａ、１９を有する。このうちのラジアルシールリップ１８ａは、先端部を二股に形成したもので、軸方向に離隔した１対のシール縁２７ａ、２７ｂを有する。即ち、上記ラジアルシールリップ１８ａの先端部の肉厚を、前述の図１２に示した従来構造のラジアルシールリップ１８の先端部の肉厚よりも大きくすると共に、上記ラジアルシールリップ１８ａの先端部に、内周面側に開口する凹溝２８を、全周に亙って形成している。そして、この凹溝２８の両側を、それぞれ上記両シール縁２７ａ、２７ｂとしている。これら両シール縁２７ａ、２７ｂは、軸方向に関してＬ₂₇だけ離隔している。従って、上記シールリング１５ａを上記軸部１２と上記軸受カップ１１との間に組み付けた状態で、上記両シール縁２７ａ、２７ｂ同士の間部分には、内径側開口を上記軸受カップ１１の外周面により塞がれた、上記凹溝２８の断面積に見合った容積を有する、密閉空間２９が画成される。一方、前記スラストシールリップ１９は、前述した従来構造と同様のもので、そのシール縁を上記軸受カップ１１に形成した内向鍔部２０の外面に、全周に亙り当接させている。

上記密閉空間２９の容積は、自在継手の使用に伴って上記軸部１２と上記軸受カップ１１との間に加わるスラスト荷重に基づく、内部空間２５の容積の変化量との関係で規制する。即ち、上記自在継手の使用時に上記軸部１２と上記軸受カップ１１とは、１回転の間に組み返し両方向に加わる上記スラスト荷重に基づき、組み立てたままの中立位置を中心として、軸方向に往復移動する。そして、この往復移動に伴って、上記内部空間２５の容積が拡縮する。即ち、上記軸部１２が上記軸受カップ１１内に押し込まれる方向に変位する際には、上記内部空間２５の容積が減少し、この内部空間２５内の圧力が上昇する。逆に、上記軸部１２が上記軸受カップ１１内から引き抜かれる方向に変位する際には、上記内部空間２５の容積が増大し、この内部空間２５内の圧力が低下する。

そして、上記内部空間２５内の圧力が上昇する際には、この内部空間２５内の空気が外部空間に排出される傾向になり、逆に、この内部空間２５内の圧力が低下する際には、この外部空間からこの内部空間２５に空気が吸引される傾向になる。この様に内部空間２５に空気が吸引される傾向になった状態で、上記軸受カップ１１の外周面で前記ラジアルシールリップ１８ａの先端縁が当接している部分に異物が付着していると、この異物が上記内部空間２５に向けて吸引される可能性がある。この様に異物が吸引される場合にこの異物は、先ず、先端側のシール縁２７ａと上記軸受カップ１１の外周面との当接部を通過し、前記凹溝２８により画成される、上記密閉空間２９内に入り込む。本例の場合には、この密閉空間２９の容積Ｖ₂₉を、上記軸部１２と上記軸受カップ１１との相対変位に伴う、内部空間２５の容積の変化量△Ｖ₂₅以上（Ｖ₂₉≧△Ｖ₂₅）としている。

尚、この内部空間２５の容積の変化量△Ｖ₂₅としては、次の(1) 〜(4) に示した４通りのものが考えられる。何れを採用するかは、要求される異物浸入防止性能との兼ね合いで設計的に選択する。得られる異物浸入防止性能は、一般的には(1) →(2) →(3) →(4) の順で優れたものとなる。但し、(1)(3)の順番、(2)(4)の順番が逆転する事はないが、(1)(2)の順番、(2)(3)の順番、(3)(4)の順番は、各部の寸法や剛性によっては、逆転する場合もある。従って、上記変化量△Ｖ₂₅は、少なくとも次の(1) 又は(2) 以上確保する必要がある。これに対して、この変化量△Ｖ₂₅を、(4) 又は(3) を越えて確保する事は無駄である。上記密閉空間２９の容積Ｖ₂₉の最大値は、上記ラジアルシールリップ１８ａの先端がヨークの腕部と干渉しない範囲に止める。

(1) 図１〜２に示した構造に関して、ピン２２と、軸受カップ１１と、シールリング１５ａとの弾性変形に基づき、この軸受カップ１１と上記軸部１２とが中立状態から軸方向に相対変位する事に伴って変化する変化量△Ｖ₂₅１。
(2) 図２に示した構造に関して、中立状態で、軸部１２の先端面と軸受カップ１１の底部２３ａの内面との間に存在する隙間３０の最小厚さＴ₃₀分、この軸受カップ１１と上記軸部１２とが中立状態から軸方向に相対変位する事に伴って変化する変化量△Ｖ₂₅２。
(3) 上記(1) で規定した変化量△Ｖ₂₅１の２倍、即ち、上記各部材２２、１１、１５ａの弾性変形に基づき、上記軸受カップ１１に対して上記軸部１２が軸方向に変位する全ストロークに基づく変化量△Ｖ₂₅３（＝△Ｖ₂₅１×２）。
(4) 上記(2) で規定した変化量△Ｖ₂₅２の２倍、即ち、上記隙間３０に基づき、上記軸受カップ１１に対して上記軸部１２が軸方向に変位する全ストロークに基づく変化量△Ｖ₂₅４（＝△Ｖ₂₅２×２）。

上記(1) 〜(4) のうち、(1) に規定した変化量△Ｖ₂₅１を設定する理由は、次の通りである。この変化量△Ｖ₂₅１は、上記各部材２２、１１、１５ａの弾性変形に基づく上記軸受カップ１１と上記軸部１２との軸方向に関する相対変位量の１／２（半振幅）と、この軸部１２の断面積の積として求められる。自在継手の使用時にこの軸部１２と上記軸受カップ１１とは、これら両部材１２、１１同士の間に加わるスラスト荷重に基づき、軸方向に相対変位する。この相対変位は、この軸部１２と上記軸受カップ１１との間に設けた合成樹脂製のピン２２のスラスト方向の剛性、この軸受カップ１１の（底部２３ａの）スラスト方向の剛性、上記シールリング１５ａのスラスト方向の剛性に抗して行われる。そして、十字軸９の変位方向前側に存在する各部材１１、１５ａ、２２の弾性変形量が増大し、同じく後側に存在する各部材１１、１５ａ、２２の弾性変形量が減少する。これら各部材１１、１５ａ、２２の剛性及び上記スラスト荷重は、計算により、或は実験により求められる。従って、自在継手の使用時に発生する、上記軸受カップ１１と上記軸部１２との軸方向に関する相対変位量（の最大値）に就いても、計算により、或は実験により求められる。そして、この相対変位量が分かれば、この相対変位量と上記軸部１２の（うちで上記シールリング１５ａの内径側に存在する部分）断面積との積により、上記変化量△Ｖ₂₅１を求められる。
そして、前記密閉空間２９の容積Ｖ₂₉を、この変化量△Ｖ₂₅１以上（Ｖ₂₉≧△Ｖ₂₅１）確保すれば、軸受カップ１１と上記軸部１２とが中立状態から軸方向に相対変位して、前記異物が前記先端側のシール縁２７ａと上記軸受カップ１１の外周面との当接部を通過しても、上記異物は、上記密閉空間２９内に収まり切る。

前記(1) 〜(4) のうち、(2) に規定した変化量△Ｖ₂₅２を設定する理由は、次の通りである。尚、この変化量△Ｖ₂₅２は、上記隙間３０の最小厚さＴ₃₀と、この軸部１２の断面積の積として求められる。
自在継手の使用時に上記軸部１２と上記軸受カップ１１とは、軸方向に相対変位するが、この軸部１２がこの軸受カップ１１内に入り込む方向の変位は、理論上は、この軸部１２の先端面がこの軸受カップ１１の底部２３ａの内面に当接する迄可能である。実際の場合には、上記隙間３０の最小厚さＴ₃₀によっては（最小厚さＴ₃₀が大きい場合には）上記軸部１２の先端面が上記底部２３ａの内面に当接する以前に、前記ピン２２の突っ張り力が自在継手の使用に伴って発生するスラスト荷重よりも大きくなって、上記軸部１２の先端面と上記底部２３ａの内面とが当接しない場合もある。
逆に、上記最小厚さＴ₃₀が小さい場合には、上記ピン２２の突っ張り力が上記スラスト荷重よりも小さい間に、上記軸部１２の先端面と上記底部２３ａの内面とが当接する場合も考えられる。この様な場合、この底部２３ａの弾性変形に基づき、上記軸部１２が上記軸受カップ１１内に入り込む方向に変位する余地はある。但し、この軸部１２の先端面と上記底部２３ａの内面との当接部は、この底部２３ａのうちで、剛性が高い外径寄り部分である。この為、上述の様な弾性変形に基づく変位量は極く僅かで、殆ど無視できる。
以上の事を考慮すれば、前記両シール縁２７ａ、２７ｂ同士の間に存在する密閉空間２９の容積Ｖ₂₉を、上記軸部１２の先端面と軸受カップ１１の底部２３ａの内面との間に存在する隙間３０の最小厚さＴ₃₀と上記軸部１２の断面積との積である前記変化量△Ｖ₂₅２以上（Ｖ₂₉≧△Ｖ₂₅２）確保すれば、軸受カップ１１と上記軸部１２とが中立状態から軸方向に相対変位して、前記異物が前記先端側のシール縁２７ａと上記軸受カップ１１の外周面との当接部を通過しても、上記異物は、上記密閉空間２９内に収まり切る。又、上記ピン２２がへたった場合にも、上記異物の浸入防止を図れる。

前記(1) 〜(4) のうち、(3) に規定した変化量△Ｖ₂₅３を設定する理由は、次の通りである。自在継手の使用時に上記軸部１２と上記軸受カップ１１とは、前記中立位置を中心として、軸方向両側に同じ量だけ相対変位する。互いに同軸に配置された１対の軸部１２に関する内部空間２５のうちの一方の容積が減少する瞬間には、他方の容積は増大する。即ち、この内部空間２５は、自在継手が１回転する間に、拡張と収縮とを繰り返す。そして、拡張時にはこの内部空間２５内の圧力が低下し、収縮時には同じく上昇する。或る内部空間２５の容積が最も収縮した状態で自在継手が停止したまま長時間経過した場合、当該内部空間２５内の空気が外部空間に排出され、この内部空間２５が、その容積が最も収縮した状態のまま、この内部空間２５の圧力が大気圧にまで低下する可能性を否定できない。そして、この様に、或る内部空間２５が、容積が最も収縮し、且つ、圧力が大気圧になった状態から上記自在継手が再起動し、当該内部空間２５の容積が最も大きくなった状態では、この内部空間２５内の圧力は、前記全ストロークに見合う分だけ低下する。そこで、この様な状態で異物が前記先端側のシール縁２７ａと上記軸受カップ１１の外周面との当接部を通過しても、上記異物を前記密閉空間２９内に収まり切らせる為には、この密閉空間２９の容積Ｖ₂₉を、前記(3) に規定した変化量△Ｖ₂₅３以上（Ｖ₂₉≧△Ｖ₂₅３）確保する。逆に言えば、停止状態で上記内部空間２５内の圧力が外部に逃げる事を考えなければ、上記密閉空間の容積Ｖ₂₉は、前記変化量△Ｖ₂₅１又は△Ｖ₂₅２以上確保すれば十分である。

前記(1) 〜(4) のうち、(4) に規定した変化量△Ｖ₂₅４を設定する理由は、前記(2) に規定した変化量△Ｖ₂₅２を採用する理由に合わせて、上記(3) に規定した変化量△Ｖ₂₅３を採用した理由による。即ち、互いに同軸に配置された１対の軸部１２の両側に存在する１対の隙間３０の合計分、この軸部１２が軸方向に変位した分、内部空間２５内の圧力が変化しても、その変化に伴って先端側のシール縁２７ａと上記軸受カップ１１の外周面との当接部を通過した異物を、上記密閉空間２９内に収まり切らせる為である。

以上に述べた様に、この密閉空間２９の容積Ｖ₂₉の最小値を、上記(1) 〜(4) に規制した変化量△Ｖ₂₅１、△Ｖ₂₅２、△Ｖ₂₅３、△Ｖ₂₅４の何れにするかは、要求するシール性能を勘案して設計的に定める。上記密閉空間２９の容積Ｖ₂₉は、小さ過ぎれば、この密閉空間２９内に収まり切らない異物が前記間空間２６内に入り込み易くなる。これに対して、この密閉空間２９の容積Ｖ₂₉を過大にすると、前記ラジアルシールリップ１８ａが大型化し、設置スペース確保の為の設計が難しくなったり、このラジアルシールリップ１８ａとヨークの腕部とが干渉して、このラジアルシールリップ１８ａによるシール性能が低下する等の不都合を生じる。そこで、上記密閉空間２９の容積Ｖ₂₉は、上記変化量△Ｖ₂₅１、△Ｖ₂₅２のうちの小さい方の値を最小値とし、上記変化量△Ｖ₂₅３、△Ｖ₂₅４のうちの大きい方の値を最大値として、その間、若しくは、この変化量△Ｖ₂₅３、△Ｖ₂₅４のうちの大きい方の値よりも僅かに大きい程度を限度として定める。

上記密閉空間２９の容積Ｖ₂₉を上述の範囲に設定すれば、上記ラジアルシールリップ１８ａの大型化を防止しつつ、前記先端側のシール縁２７ａと上記軸受カップ１１の外周面との当接部を通過した異物を上記密閉空間２９内に収め切り、この異物が上記間空間２６内に入り込む事を防止できる。この為、この異物が、この間空間２６よりも更に奥に存在する内部空間２５内に迄達する事を有効に防止して、この内部空間２５内に設置されたラジアル軸受１４の損傷を防止し、自在継手の耐久性を確保できる。

［実施の形態の第２例］
図４は、本発明の実施の形態の第２例を示している。本例の場合には、軸受カップ１１と軸部１２との間に組み付けた合成樹脂製のピン２２ａの形状を、上述した実施の形態の第１例の場合と異ならせている。本例の構造に組み込む上記ピン２２ａは、先端部に外向フランジ状の鍔部３１を備えており、この鍔部３１を、上記軸部１２の先端面で挿入孔２１の開口周囲部分に突き当てている。又、上記ピン２２ａの先端面中央部に、突部３２を形成している。更に、上記ピン２２ａの基端部（図４の下端部）は、小径にして、上記挿入孔２１の底面中央部に突き当てている。自在継手を組み立てて外力が作用しない中立状態では、この突部３２が上記軸受カップ１１の底部２３ａの内面中央部に当接し、上記鍔部３１とこの底部２３ａの内面とは、微小隙間を介して互いに離隔する。これに対して、上記自在継手の使用に伴って、上記軸部１２を上記軸受カップ１１内に押し込む方向のスラスト荷重が加わると、上記突部３２の弾性変形量（圧縮量）が増大し、上記鍔部３１と上記底部２３ａの内面とが当接する。この状態では、上記ピン２２ａのスラスト方向の剛性が向上する。

要するに本例の構造は、上記軸部１２を上記軸受カップ１１内に押し込む方向の力に関する剛性が、２段階に変化する。この為に本例の構造では、上記ピン２２ａによる緩衝作用を確保しつつ、上記スラスト荷重に基づいて上記軸部１２が上記軸受カップ１１内に押し込まれる量を小さくできる。従って、ラジアルシールリップ１８ａの先端部に設けた１対のシール縁２７ａ、２７ｂ同士の間部分に画成された密閉空間２９の容積を小さくしても、外部空間からこの密閉空間２９内に取り込まれた異物がこの密閉空間２９から溢れ出て、間空間２６側に入り込む事を防止できる。

［実施の形態の第３例］
図５〜６は、本発明の実施の形態の第３例を示している。本例は、合成樹脂製のピンを持たない構造に関し、本発明を適用した場合に就いて示している。本例の構造に組み込む軸受カップ１１ｂは、底部２３ｂの中央部を内側に膨出させる事により、この底部２３ｂの内面中央部に、部分球面状の凸部３３を形成している。そして、この凸部３３の中央部を、軸部１２の先端面中央部に当接させている。

この様な本例の構造の場合、自在継手の使用に伴って上記軸受カップ１１ｂと軸部１２との間にスラスト荷重が加わると、上記底部２３ｂの弾性変形に基づいて、これら軸受カップ１１ｂと軸部１２とが軸方向に相対変位する。この弾性変形に基づく相対変位量は僅かであるので、この弾性変形に基づく相対変位量だけを考慮すれば、ラジアルシールリップ１８ａの先端部に設けた１対のシール縁２７ａ、２７ｂ同士の間部分に画成された密閉空間２９の容積を小さくできる。但し、本例の構造の場合には、長期間に亙る使用に伴って、上記凸部３３が次第に摩耗し、その分だけ、上記軸受カップ１１ｂと上記軸部１２との、軸方向に亙る相対変位量が増大する可能性がある。そこで本例の場合には、上記密閉空間２９の容積を、上記底部２３ｂの弾性変形に基づく相対変位分と、上記摩耗に基づく相対変位分とを合計した軸方向長さ（変位の片振幅又は振幅）と、上記軸部１２の断面積との積に見合う容積としている。この結果、長期間に亙る使用後に於いても、外部空間からこの密閉空間２９内に取り込まれた異物がこの密閉空間２９から溢れ出て、間空間２６側に入り込む事を防止できる。

［実施の形態の第４例］
図７は、本発明の実施の形態の第４例を示している。本例は、合成樹脂製のピンを持たず、しかも、軸部１２の先端面と軸受カップ１１の底部２３ａの内面との間にピン等の部材を設けず、これら両面同士の間を単なる空間とした構造に本発明を適用した場合に就いて示している。この様な構造の場合、自在継手に外力が加わらない中立状態では、シールリング１５ａを構成するスラストシールリップ１９の弾力のみにより、上記軸部１２と上記軸受カップ１１との位置関係が中立状態となる。

この様な構造に本発明を適用する為に本例の場合には、前述の図２に示した実施の形態と同様に、ラジアルシールリップ１８ａの先端部に設けた１対のシール縁２７ａ、２７ｂ同士の間部分に画成された密閉空間２９の容積を、中立状態での、軸部１２の先端面と軸受カップ１１の底部２３ａの内面との間に存在する隙間３０の最小厚さＴ₃₀と上記軸部１２の断面積との積に対応する容積としている。この為、外部空間からこの密閉空間２９内に取り込まれた異物がこの密閉空間２９から溢れ出て、間空間２６側に入り込む事を防止できる。

本発明は、ステアリング装置用の自在継手に限らず、各種導力伝達装置の非直線接続部に組み込まれる十字軸式の自在継手に適用できる。

本発明の実施の形態の第１例を示す、図１０のＡ−Ａ断面に相当する図。図１の右部拡大図。図２の下半部拡大図。本発明の実施の形態の第２例を示す、図１と同様の図。同第３例を示す、図１と同様の図。図５の右部拡大図。本発明の実施の形態の第４例を示す、図１と同様の図。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。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。一部を省略して示す、図９の拡大Ｃ−Ｃ断面図。従来から知られている自在継手の第２例を示す、図１０の下端部に相当する図。従来構造の問題点を説明する為の、図３と同様の図。

１ステアリングホイール
２ステアリングシャフト
３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
８ａ、８ｂヨーク
９十字軸
１０円孔
１１、１１ａ、１１ｂ軸受カップ
１２軸部
１３結合基部
１４ラジアル軸受
１５、１５ａシールリング
１６芯金
１７、１７ａ弾性材
１８、１８ａラジアルシールリップ
１９スラストシールリップ
２０内向鍔部
２１挿入孔
２２、２２ａピン
２３、２３ａ、２３ｂ底部
２４突条
２５内部空間
２６間空間
２７ａ、２７ｂシール縁
２８凹溝
２９密閉空間
３０隙間
３１鍔部
３２突部
３３凸部

Claims

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、ぞ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上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上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、これら各シールリングは、これら各軸受カップの外周面のうちで開口寄り端部に全周に亙り当接するラジアルシールリップと、この軸受カップの開口端部に設けられた内向鍔部の外面に全周に亙り当接するスラストシールリップとを備えたものである自在継手に於いて、上記各ラジアルシールリップが、先端部が二股に形成されて、軸方向に離隔した１対のシール縁を有するものであり、これら両シール縁同士の間に存在して内径側を上記軸受カップの外周面により塞がれた密閉空間の容積が、この軸受カップと上記軸部とが中立状態から相対変位する事に伴う、この軸受カップ内に存在して上記各シールリングにより外部空間と遮断された内部空間の容積の変化量以上である事を特徴とする自在継手。
軸受カップと軸部との相対変位に伴う内部空間の容積の変化量が、中立状態での軸部の先端面と軸受カップの底部内面との間に存在する隙間の最小厚さとこの軸部の断面積との積として求められる、上記内部空間の容積の変化量以下である、請求項１に記載した自在継手。