JP2007064264A - 固定型等速自在継手 - Google Patents

Abstract

【課題】 外輪のトラック溝をその開口端に向けて直線的に拡径したテーパ状にした高角化の等速自在継手において、高作動角・高トルク入力時にケージの作動性を向上させ、かつ、その強度低下を未然に防止する。
【解決手段】 内球面２１に複数のトラック溝２２を円周方向等間隔に軸方向に沿って開口端２３に向けて形成した外輪２５と、外球面２６に外輪２５のトラック溝２２と対をなす複数のトラック溝２７を円周方向等間隔に軸方向に沿って形成した内輪２８と、外輪２５と内輪２８の両トラック溝２２，２７間に介在してトルクを伝達する複数のボール２９と、外輪２５の内球面２１と内輪２８の外球面２６との間に介在してボール２９を保持するケージ３０とを備えた固定型等速自在継手において、外輪２５の内球面部２１とマウス底部３４との境界部３５をその内球面部２１およびマウス底部３４と接線でそれぞれ繋がったＲ曲面に成形する。
【選択図】 図４

Description

本発明は固定型等速自在継手に関し、詳しくは、自動車や各種産業機械の動力伝達系において使用されるもので、駆動側と従動側の二軸間で作動角度変位のみを許容する固定型の等速自在継手に関する。

例えば、自動車のエンジンから車輪に回転力を等速で伝達する手段として使用される等速自在継手の一種に固定型等速自在継手がある。この固定型等速自在継手は、駆動側と従動側の二軸を連結してその二軸が作動角をとっても等速で回転トルクを伝達し得る構造を備えている。

近年、自動車の乗車空間拡大の観点からホイールベースを長くすることがあるが、それに伴って車両回転半径が大きくならないようにするため、自動車のドライブシャフト等の連結用継手として使用されている固定型等速自在継手の高角化による前輪の操舵角の増大が求められている。

一般的に、固定型等速自在継手は、図６に示すように内球面部１に複数のトラック溝２を円周方向等間隔に軸方向に沿ってマウス開口端３に向けて形成した外側継手部材としての外輪５と、外球面６に外輪５のトラック溝２と対をなす複数のトラック溝７を円周方向等間隔に軸方向に沿って形成した内側継手部材としての内輪８と、外輪５のトラック溝２と内輪８のトラック溝７との間に介在してトルクを伝達する複数のボール９と、外輪５の内球面部１と内輪８の外球面６との間に介在してボール９を保持するケージ１０とを備えている。

この等速自在継手を自動車のドライブシャフトに使用した場合、外輪５を従動軸に連結し、内輪８に車体側のディファレンシャルに取り付けられた摺動型等速自在継手から延びる駆動軸をスプライン嵌合で連結した構造としている。この等速自在継手では、外輪５と内輪８との間に作動角が付与されると、ケージ１０に収容されたボール９は常にどの作動角においても、その作動角の二等分面内に維持され、継手の等速性が確保される。

前述した高角化のニーズに対する固定型等速自在継手としては、外輪５のトラック溝２のマウス開口側溝底を、その外輪５のマウス開口端３に向けて直線的に拡径したテーパ状にすると共に、内輪８のトラック溝７のマウス反開口側溝底つまりマウス底側溝底を、その内輪８のマウス底に向けて直線的に拡径したテーパ状（図中のテーパ角度α）とすることにより、高角域の作動を実現している（例えば、特許文献１〜３参照）。
特開２００１−１５３１４９号公報 特開２００１−３０４２８２号公報 特開２００１−３４９３３２号公報

ところで、前述した高角化の等速自在継手では、外輪５のトラック溝２のマウス開口側溝底を、その外輪５のマウス開口端３に向けて直線的に拡径したテーパ状としていることから、その外輪５のマウス開口端近傍の肉厚が他の部位と比較して薄くなっている。

また、この外輪５の内球面部１は、鍛造または旋削で成形し、熱処理による硬化処理を施した後、仕上げ加工により形状を仕上げている。このようにして仕上げられた外輪５の内球面部１とマウス底部４との境界部１１は角状になっている。

以上の点で、図７に示すように等速自在継手（外輪５と内輪８）が高作動角をとった時、外輪５のマウス開口端３から最も飛び出そうとする位相にあるボール９がその外輪５のマウス開口端３に最も接近し、この状態で回転トルクが負荷されると、外輪５の開口端近傍の肉厚が他の部位と比較して薄くなっていることから、外輪５が変形し易くなることや、比較的剛性の小さいケージ１０が弾性変形する。

これにより、図８に示すように外輪５の内球面部１とマウス底部４の角状となっている境界部１１が、外輪５の内球面部１と摺接するケージ１０の外球面１２に食い込み（図中一点鎖線丸印で示す部位）、ケージ１０の作動性を悪化させ、ケージ１０に損傷を与えることになって強度を低下させることになる。なお、図８では、内輪８とボール９を図示省略している。

そこで、本発明は前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、外輪のトラック溝をそのマウス開口端に向けて直線的に拡径したテーパ状にした高角化の等速自在継手において、高作動角・高トルク入力時にケージの作動性を向上させ、かつ、その強度低下を未然に防止することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、内球面部に複数のトラック溝を円周方向等間隔に軸方向に沿ってマウス開口端に向けて形成した外側継手部材と、外球面部に前記外側継手部材のトラック溝と対をなす複数のトラック溝を円周方向等間隔に軸方向に沿って形成した内側継手部材と、前記外側継手部材と内側継手部材の両トラック溝間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、外側継手部材の内球面部と内側継手部材の外球面部との間に介在してボールを保持するケージとを備えた固定型等速自在継手において、前記外側継手部材の内球面部とマウス底部との境界部をその少なくとも内球面部と接線で繋がったＲ曲面に成形したことを特徴とする。

ここで、「境界部をその少なくとも内球面部と接線で繋がった」としたのは、Ｒ曲面に成形された境界部は外側継手部材の内球面部と接線で繋がっていればよく、そのマウス底部と必ずしも接線で繋がっていなくてもよいことを意味する。前述の境界部が外側継手部材の内球面部のみと接線で繋がっているようにすれば、その内球面部の仕上げ加工時の形状を変更するだけで前述の目的を達成することが可能となる。

近年、自動車の乗車空間拡大の観点からホイールベースを長くすることがあるが、それに伴って車両回転半径が大きくならないようにするため、自動車のドライブシャフト等の連結用継手として使用されている固定型等速自在継手の高角化による前輪の操舵角の増大が求められている。

固定型等速自在継手の高角化を実現するため、外側継手部材のトラック溝をマウス開口端に向けて直線的に拡径したテーパ状にすると共に内側継手部材のトラック溝を反開口端に向けて直線的に拡径したテーパ状とし、ケージの外球面中心と内球面中心を継手中心に対して軸方向に等距離だけ反対側にオフセットし、かつ、外側継手部材のトラック溝の曲率中心と内側継手部材のトラック溝の曲率中心を継手中心に対してケージオフセット量だけオフセットした構造が採用されている。

この高角化を実現した固定型等速自在継手においては、外側継手部材のトラック溝をマウス開口端に向けて直線的に拡径したテーパ状としたことにより、その外側継手部材のマウス開口端近傍の肉厚が他の部位と比較して薄くなっている。この等速自在継手では、高作動角時、外側継手部材のマウス開口端から最も飛び出そうとする位相にあるボールがそのマウス開口端に最も接近した状態で回転トルクが負荷されると、外側継手部材のマウス開口端近傍の肉厚が他の部位と比較して薄くなっていることから、この外側継手部材が変形し易くなることや、比較的剛性の小さいケージが弾性変形する。

従って、高角化した固定型等速自在継手に対しては、外側継手部材の内球面部とマウス底部との境界部をその少なくとも内球面部と接線で繋がったＲ曲面に成形する手段を講じることが、高作動角・高トルク入力時に外側継手部材あるいはケージが変形しても、前述の境界部がケージの外球面に食い込むことはなくなるので、ケージの作動性向上および強度維持を図る上で有効である。

この外側継手部材において、Ｒ曲面で形成された境界部と内球面部とは研削により同時に成形することが可能である。このようにすれば、外側継手部材を製作する上で、加工時間を短縮することができ、加工性の向上が図れる。

また、この境界部を、内球面部の仕上げ加工前にその少なくとも内球面部と接線で繋がったＲ曲面に予め成形しておき、その内球面部の仕上げ加工時に仕上げ形状がＲ曲面を切り抜けるように加工することにより、仕上げ形状の内球面部とＲ曲面との境界部が鋭利にならないようにすることも可能である。このようにすれば、境界部の角が鈍くなるので、その境界部がケージの外球面に食い込むことはなくなる。

なお、外側継手部材および内側継手部材の両トラック溝をテーパ状とするに際しては、外側継手部材の外径を大きくすることなく、作動角の高角化を容易に実現する上で、外側継手部材の肉厚を薄くしてもその外側継手部材の強度および加工性を低下させないように、この固定型等速自在継手の内部諸元の中で、トラック溝をテーパ状にすることによる影響および傾向を検証し、前述のトラック溝のテーパ角度の最適値としてその上限値を１２°に規定した。

本発明によれば、外側継手部材の内球面部とマウス底部との境界部をその少なくとも内球面部と接線で繋がったＲ曲面に成形したことにより、高作動角・高トルク入力時に外側継手部材あるいはケージが変形しても、前述の境界部がケージの外球面に食い込むことはなくなるので、高作動角・高トルク入力時においてもケージの作動性を向上させることができ、そのケージの強度低下も抑制することができる。特に、外側継手部材のトラック溝をそのマウス開口端に向けて直線的に拡径したテーパ状にした高角化の等速自在継手に対してはこの効果が顕著である。

本発明に係る固定型等速自在継手の実施形態を以下に詳述する。

図４に示す実施形態の等速自在継手は、内球面部２１に複数のトラック溝２２を円周方向等間隔に軸方向に沿ってマウス開口端２３に向けて形成したマウス部２４を有する外側継手部材である外輪２５と、外球面２６に外輪２５のトラック溝２２と対をなす複数のトラック溝２７を円周方向等間隔に軸方向に沿って形成した内側継手部材である内輪２８と、外輪２５のトラック溝２２と内輪２８のトラック溝２７間に介在してトルクを伝達する複数のボール２９と、外輪２５の内球面部２１と内輪２８の外球面２６との間に介在して各ボール２９を保持するケージ３０とを備えている。複数のボール２９は、ケージ３０に形成されたポケット３３に収容されて円周方向等間隔に配置されている。

前述の外輪２５のマウス部２４から一体的に延びるステム部に例えば従動軸（図示せず）が連設され、内輪２８に駆動軸（図示せず）がスプライン嵌合で結合されることにより、それら従動軸と駆動軸間で作動角度変位を許容しながらトルク伝達が可能な構造となっている。この等速自在継手では、外輪２５と内輪２８とが角度変位すると、ケージ３０のポケット３３に収容されたボール２９は常にどの作動角においても、その作動角の二等分面内に維持され、継手の等速性が確保される。

この等速自在継手では、大きな作動角を取り得る構造とするため、外輪２５の各トラック溝２２を外輪２５のマウス開口端２３に向けて直線的に拡径させたテーパ状としている。つまり、トラック溝２２は、反開口側であるマウス底側の円弧底２２ａとマウス開口側のテーパ底２２ｂとを有する。一方、内輪２８の各トラック溝２７も外輪２５の反開口端に向けて直線的に拡径させたテーパ状としている。つまり、トラック溝２７は、マウス開口側の円弧底２７ａとマウス底側のテーパ底２７ｂとを有する。

また、ケージ３０の内球面３１の曲率中心Ｏ_３と、外球面３２の曲率中心Ｏ_４とは、継手中心Ｏを通る継手中心面Ｐに対して等距離ｆだけ軸方向に逆向きにオフセットされている（ケージオフセット）。なお、外輪２５のトラック溝２２の曲率中心Ｏ_１と、内輪２８のトラック溝２７の曲率中心Ｏ_２とは、外輪２５の内球面部２１の曲率中心と内輪２８の外球面２６の曲率中心にそれぞれ一致しており、この外輪２５の内球面部２１の曲率中心と内輪２８の外球面２６の曲率中心は、ケージ３０の外球面３２の曲率中心Ｏ_４とその内球面３１の曲率中心Ｏ_３にそれぞれ一致している（従って、以下の説明では、外輪２５の内球面部２１の曲率中心もＯ_４とし、内輪２８の外球面２６の曲率中心もＯ_３とする）。

このようにして、高角化した固定型等速自在継手に対して、図１に示すように外輪２５の内球面部２１とマウス底部３４との境界部３５をその内球面部２１およびマウス底部３４と接線でそれぞれ繋がったＲ曲面に成形する。なお、図１ではＡ部分の拡大図も示し、その拡大図において従来の角状の境界部を破線で示している。

高角化を実現した固定型等速自在継手では、外輪２５のトラック溝２２をマウス開口端２３に向けて直線的に拡径したテーパ状としたことにより、その外輪２５の開口端近傍の肉厚が他の部位と比較して薄くなっているが、従来と異なり、外輪２５の内球面部２１とマウス底部３４との境界部３５が角張っていないことから、高作動角・高トルク入力時に外輪２５あるいはケージ３０が変形しても、前述の境界部３５がケージ３０の外球面３２に食い込むことはなくなるので、ケージ３０の作動性向上および強度維持を図る上で有効である。

つまり、この実施形態の等速自在継手では、図５に示すように最大作動角時、外輪２５のマウス開口端２３から最も飛び出そうする位相にあるボール２９がそのマウス開口端２３に最も接近した状態で回転トルクが負荷されると、外輪２５の開口端近傍の肉厚が他の部位と比較して薄くなっていることから、この外輪２５が変形し易くなることや、比較的剛性の小さいケージ３０が弾性変形するが、このように高作動角・高トルク入力時に外輪２５あるいはケージ３０が変形しても、外輪２５の内球面部２１とマウス底部３４との境界部３５がＲ曲面に成形されて角張っていないことから、その境界部３５がケージ３０の外球面３２に食い込むことはなくなるので、ケージ３０の作動性向上および強度維持を図れる。

ここで、図２に示すようにＲ曲面に成形された境界部３６は外輪２５の内球面部２１と接線で繋がっていればよく、そのマウス底部３４と必ずしも接線で繋がっていなくてもよい。前述の境界部３６が外輪２５の内球面部２１のみと接線で繋がっているようにすれば、その内球面部２１の仕上げ加工時の形状を変更するだけで済む。なお、図２ではＢ部分の拡大図も示し、その拡大図において従来の角状の境界部を破線で示している。

また、図３に示すようにこの境界部３７を、内球面部２１の仕上げ加工前に外輪２５の内球面部２１およびマウス底部３４と接線で繋がったＲ曲面に予め成形しておき、その内球面部２１の仕上げ加工時に仕上げ形状がＲ曲面を切り抜けるように加工することにより、仕上げ形状の内球面部２１とＲ曲面との境界部３７が鋭利にならないようにすることも可能である。このようにすれば、境界部３７の角が鈍くなるので、その境界部３７がケージ３０の外球面３２に食い込むことはなくなる。

図１〜図３の実施形態で、境界部３５〜３７と内球面部２１との境界位置が外輪２５の内球面部２１の曲率中心Ｏ_４に近くなると、ケージ３０の外球面３２との接触角度θ（図１〜図３参照）が減少し、機能低下に繋がるので、その機能低下に繋がらない程度で境界部３５〜３７と内球面部２１との境界位置を設定することが望ましい。

なお、外輪２５および内輪２８の両トラック溝２２，２７をテーパ状とするに際しては、外輪２５の外径を大きくすることなく、作動角の高角化を容易に実現する上で、外輪２５の肉厚を薄くしてもその外輪２５の強度および加工性を低下させないように、この固定型等速自在継手の内部諸元の中で、トラック荷重、ポケット荷重および球面力からなる内部力の影響および傾向を検証し、有限要素法（ＦＥＭ）解析を実施することで、前述のトラック溝２２，２７のテーパ角度αの範囲を絞り込んで、最適値としてその上限値を１２°に規定した。

まず、テーパ角度αを大きくすると、ポケット荷重の最大値が大きくなるが、ボール２９が最も奥に入る位相で外輪２５の肉厚を大きく、また、ケージオフセット量を大きくしてケージの肉厚を大きくすることにより強度を確保することができるので問題にはならない。

次に、テーパ角度αの上限値を決定するために、有限要素法（ＦＥＭ）解析を実施した。テーパ角度αが大きくなれば、ボール２９が最も飛び出そうとする位相（図５参照）では内部力（トラック荷重およびポケット荷重）が小さくなり、強度的に有利になるが、外輪２５の開口端２３でありその肉厚が小さくなるため、トラック溝２２に発生する応力値を継手強度に換算して傾向を確認した。その結果、テーパ角度αが１２．９°で継手強度が必要強度を下回ることから、テーパ角度αの最適範囲としてその上限値を１２°として規定した。

なお、前述した実施形態では、外輪２５のトラック溝２２をマウス開口端２３に向けて直線的に拡径したテーパ状にすると共に内輪２８のトラック溝２７を反開口端に向けて直線的に拡径したテーパ状とし、ケージ３０の外球面中心と内球面中心を継手中心に対して軸方向に等距離だけ反対側にオフセットし、かつ、外輪２５のトラック溝２２の曲率中心と内輪のトラック溝の曲率中心を継手中心に対してケージオフセット量だけオフセットした構造により高角化を実現した等速自在継手に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、他の固定型等速自在継手にも適用可能である。

本発明に係る固定型等速自在継手の実施形態で、外輪の下半分とＡ部拡大部分を示す断面図である。 本発明の他の実施形態で、外輪の下半分とＢ部拡大部分を示す断面図である。 本発明の他の実施形態で、外輪の下半分とＣ部拡大部分を示す断面図である。 本発明の実施形態で、固定型等速自在継手の全体構成を示す断面図である。 図４の等速自在継手が最大作動角をとった状態を示す断面図である。 固定型等速自在継手の従来例を示す断面図である。 図６の等速自在継手が最大作動角をとった状態を示す断面図である。 図６の等速自在継手が最大作動角をとった状態（内輪とボールは図示省略）を示す一部省略部分を含む斜視図である。

符号の説明

２１ 外側継手部材（外輪）の内球面部
２２ 外側継手部材（外輪）のトラック溝
２３ マウス開口端
２５ 外側継手部材（外輪）
２６ 内側継手部材（内輪）の外球面
２７ 内側継手部材（内輪）のトラック溝
２８ 内側継手部材（内輪）
２９ ボール
３０ ケージ
３１ ケージの内球面
３２ ケージの外球面
３４ マウス底部
３５〜３７ 境界部
Ｏ_１ 外側継手部材（外輪）のトラック溝の曲率中心
Ｏ_２ 内側継手部材（内輪）のトラック溝の曲率中心
Ｏ_３ ケージの内球面中心
Ｏ_４ ケージの外球面中心
α トラック溝のテーパ角度

Claims (5)

1. 内球面部に複数のトラック溝を円周方向等間隔に軸方向に沿ってマウス開口端に向けて形成した外側継手部材と、外球面部に前記外側継手部材のトラック溝と対をなす複数のトラック溝を円周方向等間隔に軸方向に沿って形成した内側継手部材と、前記外側継手部材と内側継手部材の両トラック溝間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、外側継手部材の内球面部と内側継手部材の外球面部との間に介在してボールを保持するケージとを備えた固定型等速自在継手において、前記外側継手部材の内球面部とマウス底部との境界部をその少なくとも内球面部と接線で繋がったＲ曲面に成形したことを特徴とする固定型等速自在継手。
2. 前記Ｒ曲面で形成された境界部と内球面部とは研削により同時に成形されている請求項１に記載の固定型等速自在継手。
3. 前記外側継手部材の内球面部とマウス底部との境界部を、前記内球面部の仕上げ加工前にその少なくとも内球面部と接線で繋がったＲ曲面に成形し、前記内球面部の仕上げ加工時に仕上げ形状が前記Ｒ曲面を切り抜けるように加工することにより、前記仕上げ形状の内球面部とＲ曲面との境界部が鋭利にならないようにした請求項１に記載の固定型等速自在継手。
4. 前記外側継手部材のトラック溝を前記開口端に向けて直線的に拡径したテーパ状にすると共に前記内側継手部材のトラック溝を反開口端に向けて直線的に拡径したテーパ状とし、前記ケージの外球面中心と内球面中心を継手中心に対して軸方向に等距離だけ反対側にオフセットし、かつ、外側継手部材のトラック溝の曲率中心と内側継手部材のトラック溝の曲率中心を継手中心に対してケージオフセット量だけオフセットしている請求項１〜３のいずれか一項に記載の固定型等速自在継手。
5. 前記外側継手部材および内側継手部材の両トラック溝のテーパ角度の上限値を１２°とした請求項１〜４のいずれか一項に記載の固定型等速自在継手。

Images