JP2010043667A - 固定式等速自在継手 - Google Patents

Abstract

【課題】固定式等速自在継手の発熱を抑えて耐久性を向上させる。
【解決手段】固定式等速自在継手は、凹球面状の内周面14に軸方向に延びるボール溝16を円周方向に所定の間隔で形成した外輪10と、凸球面状の外周面24に軸方向に延びるボール溝26を円周方向に所定の間隔で形成した内輪20と、対をなす外輪10のボール溝16と内輪20のボール溝26との間に組み込んだボール30と、外輪10の内周面14と内輪20の外周面24との間に介在してボール30を保持するケージ40とを具備し、外輪10のボール溝16の中心O1および内輪20のボール溝26の中心O2が継手の角度中心Oと同じ軸方向位置にあり、かつ、対をなす外輪10のボール溝16と内輪20のボール溝26が交差している。
【選択図】図１

Description

この発明は固定式等速自在継手に関する。

自動車や各種産業機械の動力伝達装置に使用される等速自在継手は固定式としゅう動式に大別される。固定式は角度変位のみ可能であるのに対して、しゅう動作式は角度変位だけでなく軸方向変位（プランジング）も可能である。この発明は固定式等速自在継手に関する。

図９に示す固定式等速自在継手は、ツェッパ型またはバーフィールド型と呼ばれるタイプで、外輪１１０と、内輪１２０と、複数のボール１３０と、ケージ１４０を主要な構成要素としている。

外輪１１０はディスク型で、ボルトを挿入してフランジ結合するための貫通孔１１２を備え、原動軸または従動軸とトルク伝達可能に接続するようになっている。外輪１１０の内周面１１４は凹球面状で、その内周面の円周方向に等間隔に、軸方向に延びるボール溝１１６が形成してある。図９の外輪１１０の左側端面にはシールプレート１１８が装着してある。

内輪１２０は、軸心部に形成したスプライン（またはセレーション。以下同じ。）孔１２２でシャフト（従動軸または原動軸）１５８とトルク伝達可能に接続する。内輪１２０の外周面１２４は凸球面状で、その外周面１２４の円周方向に等間隔に、軸方向に延びるボール溝１２６が形成してある。

外輪１１０のボール溝１１６と内輪１２０のボール溝１２６は対をなし、各対のボール溝１１６、１２６間に１個ずつ、ボール１３０が組み込んである。

ケージ１４０は外輪１１０と内輪１２０との間に介在させてあり、外周面１４２は外輪１１０の内周面１１４と適合した凸球面状で、内周面１４４は内輪１２０の外周面１２４と適合した凹球面状である。ケージ１４０の円周方向に所定間隔でポケット１４６が形成してあり、各ポケット１４６に１個ずつ、ボール１３０を収容させてある。したがって、ケージ１４０によってすべてのボール１３０が同一平面に保持される。ポケット１４６はケージ１４０を半径方向に貫通しており、ポケット１４６に収容されたボール１３０は、ケージ１４０の外径側で外輪１１０のボール溝１１６に臨み、ケージ１４０の内径側で内輪１２０のボール溝１２６に臨む。

一般に、潤滑グリースの漏れを防止し、また、外部から水や異物が侵入するのを防止するため、ブーツ１５０を取り付けて使用する。ブーツ１５０は、可撓性材料でできたブーツ本体１５２とブーツアダプタ１５４とからなり、ブーツ本体１５２の小径部はシャフト１５８に取り付けてブーツバンド１５６で締め付けてある。ブーツ本体１５２の大径部はブーツアダプタ１５４の小径端部に巻き込んで固定してある。ブーツアダプタ１５４の大径端部は前述のシールプレート１１８とは反対側の外輪１１０の端面に取り付けてある。シールプレート１１８とブーツアダプタ１５４は外輪１１０を両側から挟みこんだ状態で図示しないフランジ間に固定される。

自動車のプロペラシャフト用に使用される固定式等速自在継手として上述のバーフィールド型が知られている。従来、６個のボールを用いるバーフィールド型が一般的であったが、近年、軽量、コンパクト化のため、あるいは高性能化を目的として、種々の提案がなされている（特許文献１、２）。
特許第３８５９２６４号公報 特許第３３００６６３号公報

６個のボールを用いる従来のバーフィールド型に対して、高性能化、コンパクト化を目的として小径化し、ボール１個当たりの負荷容量の低下を抑えるため、ボール数を８個とする提案や（特許文献１）、内輪および外輪のボール溝を軸線に対して傾斜させたり、らせん状にしたり、隣り合うボール溝を面対称としたりことで、内輪および外輪のボール溝とボールとの接触力を抑制でき、耐久性が向上するなどの提案（特許文献２）がなされている。

前者（特許文献１）の場合、ケージ１４０を円滑に作動させるため、図１０に示すように軸方向オフセットが設けてある。すなわち、継手の軸線を含む平面において、外輪１１０の内周面１１４の中心および内輪１２０の外周面１２４の中心は共に継手の角度中心Ｏと一致しているが、外輪１１０のボール溝１１６の中心Ｏ_１と内輪１２０のボール溝１２６の中心Ｏ_２は、継手の角度中心Ｏから互いに反対側に、軸方向に等距離Ｆだけオフセットさせてある。その結果、対をなすボール溝１１６、１２６は、軸方向の一方から他方へ向かって縮小したくさび形の断面形状を呈する。符号τはくさび角を表している。

ボール１３０とボール溝１１６、１２６との接点の軌跡を破線で示してある。くさび角τの作用により、ボール１３０はくさびの開いている方向に力Ｗを受け、そのため、ボール１３０がポケット１４６の壁面を押し、ケージ１４０を円滑に作動させる。くさび角τは、図１０から理解できるように、外輪１１０のボール溝１１６とボール１３０との接触部における接線と、内輪１２０のボール溝１２６とボール１３０との接触部における接線とがなす角と定義することができる。

このように、ケージ１４０を作動させる上で軸方向オフセットは重要であるが、軸方向オフセットがあるために形成されるくさび角τの向きがすべて同じであることから、常に一方向だけに力Ｗが発生する。その結果、外輪１１０の内周面１１４とケージ１４０の外周面１４２および内輪１２０の外周面１２４とケージ１４０の内周面１４４が接触状態となり、負荷が高いときや高速で回転する場合に発熱の原因となり、耐久性に悪影響を与える。

後者（特許文献２）でも軸方向オフセットが設けてあるが、外輪および内輪のボール接触力が低下することでケージに掛かる力が低下するが、従来型と同じように、大きな負荷が掛かるときや高速回転時に、ケージの外周面と外輪の内周面およびケージの内周面と内輪の外周面との接触により発熱が生じて耐久性に悪影響を与える。

そこで、この発明の目的は、固定式等速自在継手の発熱を抑えて耐久性を向上させることにある。

この発明は、軸方向オフセットを０にするとともに、隣り合うボール溝を交互に交差させることによって課題を解決した。軸方向オフセットが０ということは、軸方向オフセットを廃止する、言い換えれば、外輪１０のボール溝１６の中心Ｏ_１および内輪２０のボール溝２６の中心Ｏ_２が共に継手の角度中心Ｏと同じ軸方向位置にあることを意味する。

すなわち、この発明の固定式等速自在継手は、凹球面状の内周面１４に軸方向に延びるボール溝１６を円周方向に所定の間隔で形成した外輪１０と、凸球面状の外周面２４に軸方向に延びるボール溝２６を円周方向に所定の間隔で形成した内輪２０と、対をなす外輪１０のボール溝１６と内輪２０のボール溝２６との間に組み込んだボール３０と、外輪１０と内輪２０との間に介在してボール３０を保持するケージ４０とを具備し、外輪１０のボール溝１６の中心および内輪２０のボール溝２６の中心が継手の角度中心Ｏと同じ軸方向位置にあり、かつ、対をなす外輪１０のボール溝１６と内輪２０のボール溝２６が交差していることを特徴とする。

軸方向オフセットを０とし（図５（ａ）参照）、対をなす外輪１０のボール溝１６と内輪２０のボール溝２６を交差させることで（図５（ｂ）参照）、円周方向に交互に逆向きのくさび角τが発生する。したがって、隣り合うボール３０には互いに逆向きの力Ｗが作用し、ボール３０からケージ４０のポケット４６の壁面４８に加わる力Ｗも円周方向に交互に逆向きとなり、ケージ位置が外輪１０および内輪２０の二等分面位置で安定する。そのため、ケージ４０の外周面４２および内周面４４の球面接触が抑制され、高負荷時や高速回転時でも等速自在継手の作動が円滑となり、発熱が抑えられ、耐久性が向上する。

ボールの数は、たとえば、６（請求項２）、８（請求項３）、１０（請求項４）である。ボールの数によって、ボール径と、取り得るボール溝の交差角が変わる。ボールの数が少なければ、ボール径を大きくして１個あたりの負荷容量を大きくし、かつ、大きな交差角を取ることが可能となり、ケージの作動性に影響を及ぼすくさび角を大きく取ることができる。その反面、ボールのＰＣＤ（ピッチ円径）を大きくする必要があるため、外輪外径が大きくなる。ボール数が多いと、ボール径は小さく、かつ、交差角も小さくとることになる。この場合、くさび角が小さくなるが、ボール個数が多くなった分だけ、必要なくさび角によるケージの制御力を補うことができる。

外輪のボール溝の中心と内輪のボール溝の中心を半径方向にオフセットさせてもよい（請求項５）。そのような構成を採用することにより、外輪および内輪のボール溝の負荷容量を大きくしたり、ボール溝の底部の肉厚を厚くすることができる。

ボール溝は鍛造によって成形してもよく（請求項６）、あるいは、機械加工によって成形してもよい（請求項７）。ボール溝を鍛造で成形することにより、後加工が不要となり、その分だけコスト削減が可能となる。機械加工の具体例としては、ボール溝を高精度で仕上げることのできる、研削加工や焼入れ鋼切削が挙げられる。研削加工ではクーラントが必要であるのに対して、焼入れ鋼切削はクーラントを使用しないいわゆるドライ加工であるため、環境に対する負荷を減らすことができる。

この発明によれば、高負荷時や高速回転時の発熱が抑制され、耐久性が向上する。また、ケージ位置が安定するため、ケージと外輪との間およびケージと内輪との間での接触抵抗が抑えられ、トルク損失が低下し、等速性が向上する。
より詳しく述べるならば（図５参照）、隣り合うボール溝では逆方向の荷重Ｗが発生し、そのためケージは全体として軸方向の荷重が±０となって二等分面の位置にとどまる。したがって、ケージの外球面と外輪の内球面、ケージの内球面と内輪の外球面が接触して接触抵抗を増すという現象が抑制され、その影響でトルク損失率が低下して等速性が向上する。等速自在継手におけるトルク損失とは、ボール溝とボールとの間の転がり抵抗や滑り抵抗、球面部の接触による抵抗などによって動力ロスが発生する。この発明の等速自在継手は、球面部の接触抵抗が抑えられるため、トルク損失が減少する。

以下、図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。
まず、図１を参照して固定式等速自在継手の基本的構成について述べる。固定式等速自在継手は、外側継手部材としての外輪１０と、内側継手部材としての内輪２０と、トルク伝達要素としての複数のボール３０と、ボール３０を保持するためのケージ４０を主要な構成要素としている。

図２に示すように、外輪１０はディスク型で、ボルトを挿入するための貫通孔１２が形成してあり、原動軸または従動軸とフランジ結合するようになっている。外輪１０の内周面は凹球面状で、その内周面の円周方向に所定の間隔で、ボール溝１６が形成してある。ボール溝１６は軸線に対して傾斜しており、隣り合ったボール溝１６ａ、１６ｂ同士では傾斜の向きが逆である。傾斜角度を符号γを表してある。

図３に示すように、内輪２０は軸心部に形成したスプライン孔２２を有し、このスプライン孔２２で従動軸または原動軸とトルク伝達可能に接続するようになっている（図９のシャフト１５８参照）。内輪２０の外周面２４は球面状で、その外周面の円周方向に所定の間隔で、ボール溝２６が形成してある。
外輪１０のボール溝１６と同じように、内輪２０のボール溝２６も軸線に対して傾斜しており、隣り合ったボール溝２６ａ、２６ｂ同士では傾斜の向きが逆である。ここでも傾斜角度を符号γを表してある。

外輪１０のボール溝１６と内輪２０のボール溝２６は対をなし、各対のボール溝１６、２６間に１個ずつ、ボール３０が組み込んである。ボールの数は任意であるが、具体例を挙げるならば６個、８個、１０個などである。図は８個の例を示している。
対をなす外輪１０のボール溝１６と内輪２０のボール溝２６は傾斜の向きが逆になるようにして組み立てる。

図１および図４に示すように、ケージ４０は外輪１０の内周面１４と内輪２０の外周面２４との間に介在させてある。したがって、ケージ４０の外周面４２は外輪１０の内周面１４と適合する凸球面状であり、ケージ４０の内周面４４は内輪２０の外球面２４と適合する凹球面状である。ケージ４０の円周方向に所定間隔でポケット４６が形成してあり、各ポケット４６に１個ずつ、ボール３０が収容される。ポケット４６はケージ４０を半径方向に貫通しており、ポケット４６に収容されたボール３０は、ケージ４０の外径側で外輪１０のボール溝１６に臨み、ケージ４０の内径側では内輪２０のボール溝２６に臨む。このようにして、ケージ４０によってすべてのボール３０が同一平面に保持される。

図１（ｂ）に示すように、軸方向オフセットは０である。すなわち、継手の軸線を含む平面において、外輪１０のボール溝１６の中心と、内輪２０のボール溝２６の中心は、共に継手の角度中心Ｏと同じ軸方向位置にある。

ここで、軸方向オフセットとは外輪のボール溝の中心と内輪のボール溝の中心の軸方向位置が異なることを意味し、軸方向位置が同じであれば、半径方向に異なる位置にあってもよい。

図７および図８に、継手の軸線を含む平面においてボール溝の曲率中心を半径方向にオフセットさせた実施例を示す。図７（ａ）は、ボール溝１６、２６の中心Ｏ_３を軸線を越えてボール溝１６、２６から遠ざかる向きに、半径方向にオフセットさせた例である。図７（ｂ）は、ボール溝１６，２６の中心Ｏ_３を軸線からボール１６、２６溝寄りに、半径方向にオフセットさせた例である。それぞれ符号Ｆはオフセット量を表している。

図７（ａ）の実施例は外輪１０のボール溝１６を深くすることができる。図８（ａ）は、図７（ａ）の実施例のボール溝（底）と図７（ｂ）の実施例のボール溝（底）を重ねて表示したもので、符号Ｒ_１は前者の場合の曲率半径を示し、符号Ｒ_２は後者の場合の曲率半径を示す。また、対比のために、曲率中心が軸線上にある場合の曲率半径Ｒ_０の円弧を破線で示してある。符号ｔ_０、ｔ_１は、ボール溝１６の端部における溝底部分の外輪肉厚を表している。図８（ａ）から理解できるように、曲率中心をボール溝１６から遠ざかる向きに、軸線から半径方向にオフセットさせた曲率半径Ｒ_１のボール溝１６は、破線で示す標準のボール溝よりも深くなる。

また、図７（ａ）の実施例は内輪２０のボール溝２６の底部の肉厚を厚くすることができる。図８（ｂ）は、図７（ａ）の実施例による内輪のボール溝と図７（ｂ）の実施例による内輪のボール溝を重ねて表示したもので、符号Ｒ_４は前者の場合の曲率半径を示し、符号Ｒ_５は後者の場合の曲率半径を示す。また、対比のために、曲率中心が軸線上にある場合の曲率半径Ｒ_３の円弧を破線で示してある。図８（ｂ）から理解できるように、曲率中心をボール溝２６から遠ざかる向きに、軸線から半径方向にオフセットさせた曲率半径Ｒ_４のボール溝２６の溝底部分の内輪肉厚ｔ_３は、破線で示す標準のボール溝の溝底部分の内輪肉厚ｔ_２よりも厚くなる。

軸方向オフセットを０とし（図５（ａ）参照）、対をなす外輪１０のボール溝１６と内輪２０のボール溝２６を交差させることで（図５（ｂ）参照）、円周方向に交互に逆向きのくさび角τが発生する。したがって、隣り合うボール３０には互いに逆向きの力Ｗが作用し、ボール３０からケージ４０のポケット４６の壁面４８に加わる力Ｗも円周方向に交互に逆向きとなり、ケージ位置が外輪１０および内輪２０の二等分面位置で安定する。そのため、ケージ４０の外周面４２および内周面４４の球面接触が抑制され、高負荷時や高速回転時でも等速自在継手の作動が円滑となり、発熱が抑えられ、耐久性が向上する。

なお、軸方向オフセットを付与し、かつ、隣り合うボール溝を交差させた場合も、等速自在継手としては成立する。しかしながら、ボールが常に一方向に力を受けるため、ケージの外周面と外輪の内周面との接触、および、ケージの内周面と内輪の外周面との接触を抑制することはできない。したがって、依然として発熱の問題が解消せず、耐久性の向上は望めない。

本来、軸方向オフセットおよび交差角２γは、くさび角τを発生させてケージ４０を円滑に作動させる上で重要な要素であるため、ある程度大きく設定する必要がある。プロペラシャフトはドライブシャフトと違い、大きな作動角を必要としないため、外輪１０、内輪２０のボール溝長さを短くできる。そのため、交差角２γを大きく設定できる。

これに対してドライブシャフト用では、最大作動角が大きいことから外輪及び内輪のボール溝長さを長く設定する必要が有り、図６に符号２８で示すように内輪２０の端面付近でボール溝２６同士が交差してしまい凸球面状の外周面２４がなくなってしまう。なお、図６は内輪２０の場合であるが、外輪１０についても同様である。また、ボール３０の円周方向への移動量が大きくなり、ケージ４０のポケット４６の円周方向寸法を長く設定する必要が出てくる。そのため、ポケット４６間の柱部分が細くなり、ケージ４０の強度低下につながるという問題がある。したがって、大きな作動角が必要なフロントドライブシャフトには実際上は適用されないかもしれないが、大きな作動角を取らないリアドライブシャフトには適用可能である。

（ａ）は実施例を示す正面図、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。 （ａ）は外輪の正面図、（ｂ）は図２（ａ）のＹ矢視図、（ｃ）は断面図、（ｄ）は斜視図である。 （ａ）は内輪の正面図、（ｂ）は図３（ａ）のＺ矢視図、（ｃ）は断面図、（ｄ）は斜視図である。 （ａ）は正面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は斜視図である。 （ａ）は縦断面図、（ｂ）はボール溝の展開略図である。 軸方向長さが長い場合の内輪の斜視図である。 （ａ）（ｂ）は半径方向オフセットの例を示す縦断面図である。 （ａ）は外輪の縦断面図、（ｂ）は内輪の縦断面図である。 従来例を示す縦断面図である。 軸方向オフセットの影響を説明するための縦断面図である。

符号の説明

１０ 外輪（外側継手部材）
１２ 貫通孔
１４ 内周面
１６ ボール溝
２０ 内輪（内側継手部材）
２２ スプライン孔
２４ 外周面
２６ ボール溝
３０ ボール（トルク伝達要素）
４０ ケージ
４２ 外周面
４４ 内周面
４６ ポケット
４８ 壁面

Claims (7)

1. 凹球面状の内周面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に所定の間隔で形成した外輪と、
   凸球面状の外囲面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に所定の間隔で形成した内輪と、
   対をなす外輪のボール溝と内輪のボール溝との間に組み込んだボールと、
   外輪の内周面と内輪の外周面との間に介在してボールを保持するケージと
   を具備し、外輪のボール溝の中心および内輪のボール溝の中心が継手の角度中心と同じ軸方向位置にあり、かつ、対をなす外輪のボール溝と内輪のボール溝が交差している固定式等速自在継手。
2. ボール数が６である請求項１の固定式等速自在継手。
3. ボール数が８である請求項１の固定式等速自在継手。
4. ボール数が１０である請求項１の固定式等速自在継手。
5. 外輪のボール溝の中心と内輪のボール溝の中心が半径方向にオフセットしている請求項１から４のいずれか１項の固定式等速自在継手。
6. ボール溝が鍛造によって成形してある請求項１から５のいずれか１項の固定式等速自在継手。
7. ボール溝が機械加工によって成形してある請求項１から５のいずれか１項の固定式等速自在継手。

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