CN116981856A - 三球销型等速万向联轴器 - Google Patents

Abstract

在双列滚子型的三球销型等速万向联轴器(1)中，将外侧联轴器构件(2)的滚子引导面(6)的节圆直径设为PCD，将三球销构件(3)的主体部(31)与脚轴(32)之间的中间部处的曲率半径设为R，将三球销构件(3)的花键(34)的大径部(34a)到中间部(33)为止的最小距离设为t，则R/PCD≥0.0850、且t/PCD≥0.145。

Description

三球销型等速万向联轴器

技术领域

本发明涉及在机动车、各种工业机械的动力传递中使用的三球销型等速万向联轴器。

背景技术

在机动车的动力传递系统使用的驱动轴中，中间轴的内方侧(车宽方向上的中央侧)与滑动式等速万向联轴器相结合，外方侧(车宽方向上的端部侧)与固定式等速万向联轴器相结合这样的情况较多。这里所说的滑动式等速万向联轴器允许二轴间的角度位移以及轴向相对移动这双方，固定式等速万向联轴器允许二轴间的角度位移但不允许二轴间的轴向相对移动。

三球销型等速万向联轴器作为滑动式等速万向联轴器而被大家所熟知。作为该三球销型等速万向联轴器，存在单列滚子型和双列滚子型。单列滚子型经由多个滚针将插入外侧联轴器构件的滚道槽的滚子以能够旋转的方式安装于三球销构件的脚轴。双列滚子型具备：插入外侧联轴器构件的滚道槽的滚子、以及外嵌于三球销构件的脚轴且将所述滚子支承为旋转自如的内圈。双列滚子型能够使滚子相对于脚轴进行摇头摆动，因此与单列滚子型相比具有能够实现诱发推力(由联轴器内部的部件间的摩擦诱发的轴向力)和滑动阻力的减小这样的优点。

在专利文献1的双列滚子型的三球销型等速万向联轴器中，在转矩负载侧，三球销构件的脚轴的外周面与内圈的内周面以近乎点的形式接触。因此，在这种三球销型等速万向联轴器中，特别是在高负载转矩时，各轴外周面与内圈内周面的接触部处的面压升高。因此，存在脚轴外周面的接触部的耐久性降低的问题。

为了消除该问题，下述的专利文献1中公开了一种双列滚子型的三球销型等速万向联轴器，其中，通过渗碳淬火回火在脚轴形成硬化层，三球销构件由碳含量0.23～0.44％的钢材形成，具有以600Hv为临界硬度的有效硬化层。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2020-106087号公报

发明内容

发明所要解决的课题

专利文献1所记载的双列滚子型的三球销型等速万向联轴器例如通过对碳量0.34％的铬-钼钢进行渗碳淬火后进行高温回火而得到。在该结构中，与以往相比能够增加钢材中的碳量，因此即使在脚轴的外周面与内圈的接触部处的接触面压因过大转矩的负载而升高的情况下，也能够提高该接触部处的脚轴的耐久性。

另一方面，本申请发明人对专利文献1所记载的三球销型等速万向联轴器进行了进一步研究后发现，如上所述，能够确保转矩负载时的脚轴外周面的接触部处的耐久性，但相交换地，脚轴的根部的强度存在弱点。在脚轴的根部，伴随于转矩传递而反复作用有拉伸载荷，但由于根部处的疲劳强度降低，呈现脚轴根部的扭转强度不足的结果。

因此，本发明的目的在于实现三球销构件的脚轴的根部处的强度的提高。

用于解决课题的方案

基于以上的见解而完成的本发明是一种三球销型等速万向联轴器，具有：外侧联轴器构件，其在圆周方向上的三处具备沿轴向延伸的滚道槽，各滚道槽具有在圆周方向上对置配置的一对滚子引导面；三球销构件，其具备具有中心孔的主体部、三个沿该主体部的半径方向突出的脚轴、以及位于主体部与脚轴之间且纵剖面呈圆弧状的中间部，在所述主体部的中心孔形成有花键；滚子，其装配于各所述脚轴；以及内圈，其外嵌于所述脚轴，将所述滚子支承为旋转自如，所述滚子能够沿着所述滚子引导面在所述外侧联轴器构件的轴向上移动，由所述滚子和所述内圈形成滚子单元，所述滚子单元能够相对于所述脚轴进行摇头摆动，所述三球销构件的芯部处的碳含量为0.23％～0.44％，通过过渗碳淬火回火而形成有硬化层，所述三球销型等速万向联轴器的特征在于，将所述外侧联轴器构件的所述滚子引导面的节圆直径设为PCD，将所述三球销构件的所述中间部处的曲率半径设为R，将所述三球销构件的花键的大径部到所述中间部为止的最小距离设为t，则R/PCD≥0.0850、且t/PCD≥0.145。

通过像这样设为R/PCD≥0.0850，能够增大中间部的壁厚、即花键的大径部与中间部之间的最小距离t。具体而言，能够设为t/PCD≥0.145。通过中间部的壁厚像这样变大，即使硬化相层的深度变深而三球销构件的韧性降低，也能够提高脚轴的根部(中间部)的强度、特别是疲劳强度。因此，能够提高脚轴的扭转强度，从而提高三球销构件的设计自由度。

三球销构件的脚轴的表面硬度优选为653HV以上。由此，能够提高高转矩的负载时的脚轴的外周面的耐久性、特别是与内圈的内周面的接触部的耐久性。

所述三球销构件的内部硬度优选为513HV以上。通过将内部硬度设为513HV以上，能够得到三球销构件所需的有效硬化层深度。

发明效果

根据本发明，能够实现三球销构件的脚轴的根部处的耐久性的提高。

附图说明

图1是示出双列滚子型的三球销型等速万向联轴器的纵向剖视图。

图2是在图1的K-K线处进行向视观察而得到的纵向剖视图。

图3是在图1的L-L线处进行向视观察而得到的横向剖视图。

图4是表示图1的三球销型等速万向联轴器取得了工作角的状态的纵向剖视图。

图5是示出形成于三球销构件的硬化层的纵向剖视图。

图6是示出现有产品的脚轴处的硬度分布的图。

图7是示出改良产品的脚轴处的硬度分布的图。

图8是将图2中的三球销构件的中间部附近放大示出的剖视图。

具体实施方式

基于图1～图8对本发明的三球销型等速万向联轴器的实施方式进行说明。

图1～图4所示的本实施方式的三球销型等速万向联轴器1是双列滚子型。需要说明的是，图1是示出双列滚子型的三球销型等速万向联轴器的纵向剖视图，图2是在图1的K-K线处进行向视观察而得到的局部横向剖视图。图3是在图1的L-L线处进行向视观察而得到的横向剖视图，图4是示出取得了工作角时的三球销型等速万向联轴器的纵向剖视图。

如图1以及图2所示，该三球销型等速万向联轴器1的主要部分包括外侧联轴器构件2、作为内侧联轴器构件的三球销构件3、以及作为转矩传递构件的滚子单元4。外侧联轴器构件2呈一端开口的杯状，且在内周面上以周向等间隔的方式形成有三条沿轴向延伸的直线状滚道槽5。在各滚道槽5形成有滚子引导面6，该滚子引导面6在外侧联轴器构件2的圆周方向上对置地配置，且分别沿外侧联轴器构件2的轴向延伸。在外侧联轴器构件2的内部收容有三球销构件3和滚子单元4。

三球销构件3一体地具有：具有中心孔30的主体部31(耳轴主体部)、从主体部31的圆周方向上的三等分位置沿半径方向突出的三根脚轴32(耳轴轴颈)、以及将主体部31与脚轴32连接的中间部33。三球销构件3通过使形成于作为轴的轴8的外花键81(参照图1)与形成于耳轴主体部31的中心孔8的内花键34嵌合，而以能够传递转矩的方式与轴8结合。通过使三球销构件3的一方的端面与设置于轴8的肩部82卡合，并使装配于轴8的前端的挡圈10与三球销构件3的另一方的端面卡合，三球销构件3相对于轴8在轴向上被固定。

滚子单元4的主要部分包括：作为滚子的外圈11、配置于该外圈11的内侧的且外嵌于脚轴32的圆环状的内圈12、以及多个夹设在外圈11与内圈12之间的滚针13，该滚子单元4收容于外侧联轴器构件2的滚道槽5。由内圈12、滚针13以及外圈11构成的滚子单元4形成为不因垫圈14、15而分离的结构。

在该实施方式中，外圈11的外周面是以在脚轴32的轴线上具有曲率中心的圆弧为母线的凸曲面。外圈11的外周面与滚子引导面6角接触。

滚针13以外圈11的圆筒状内周面为外侧轨道面，以内圈12的圆筒状外周面为内侧轨道面，并滚动自如地配置在这些外侧轨道面与内侧轨道面之间。

三球销构件3的各脚轴32的外周面在包含脚轴32的轴线的任意的纵剖面中呈直线形状。另外，如图3所示，脚轴32的外周面在与脚轴32的轴线正交的横剖面中呈大致椭圆形状。脚轴32的外周面在与联轴器的轴线正交的方向即长轴a的方向上与内圈12的内周面12a接触。在联轴器的轴线方向即短轴b的方向上，在脚轴32的外周面与内圈12的内周面12a之间形成有间隙m。

如图1以及2所示，三球销构件3的主体部31与脚轴32之间的中间部33在包含脚轴32的轴线的任意的纵剖面中呈凹状的圆弧状。

内圈12的内周面12a在包含内圈12的轴线的任意的纵剖面中呈凸圆弧状。并且还由于脚轴32的剖面形状如上述那样为大致椭圆形状，在脚轴32与内圈12之间设置有规定的间隙m，因此内圈12能够相对于脚轴32摇头摆动。如上所述，内圈12与外圈11经由滚针13而相对旋转自如地组合，因此外圈11与内圈12成为一体而能够相对于脚轴32摇头摆动。也就是说，在包含脚轴32的轴线的平面内，外圈11以及内圈12的轴线能够相对于脚轴32的轴线倾斜(参照图4)。

如图4所示，当三球销型等速万向联轴器1取得工作角而旋转时，三球销构件3的轴线相对于外侧联轴器构件2的轴线倾斜，但滚子单元4能够摇头摆动，因此能够避免外圈11与滚子引导面6斜交的状态。由此，外圈11相对于滚子引导面6而水平地滚动，从而能够实现诱发推力、滑动阻力的减小，进而能够实现联轴器的低振动化。

另外，如上所述，脚轴32的横剖面为大致椭圆状，内圈12的内周面12a的纵剖面为圆弧状凸剖面，因此转矩负载侧的脚轴32的外周面与内圈12的内周面12a以近乎点接触的狭小面积进行接触。由此，欲使滚子单元4倾斜的力变小，外圈11的姿态的稳定性提高。

以上所述的三球销构件3由钢材料经过以下的主要工序制作而成：锻造加工(冷锻加工)→机械加工(车削)→花键34的拉削加工→热处理→脚轴32的外周面的磨削加工。也能够代替磨削工序而通过淬火钢切削对脚轴32的外周面进行精加工。另外，在冷锻前，能够追加球化退火工序以及磷化处理工序。若由于使用碳量较低的材料等情况而冷锻时的可锻性不存在问题，则能够省略球化退火工序。进行渗碳淬火回火作为热处理。

图5是示出通过对三球销构件3的热处理而形成的硬化层16的剖视图。如图5所示，在包括脚轴32的外周面、主体部31的外周面、中间部33的表面以及内花键23的表面在内的三球销构件3的整个表面形成有硬化层16。对于作为成品的三球销构件3而言，脚轴32的外周面通过磨削(或者淬火钢切削)来精加工，因此脚轴32的外周面的硬化层16的深度要比其他的区域浅上磨削等的加工余量。需要说明的是，该加工余量通常是0.1mm左右而较小，因此在图5中将硬化层16的厚度描绘为在整个表面上均匀。

如上所述，如图3所示，在双列滚子型的三球销型等速万向联轴器中，在转矩负载侧，脚轴32的外周面与内圈12的内周面12a在区域X进行点接触、或以近乎点的形式接触，因此存在在高转矩负载时该接触部的面压升高这样的问题。当面压过大时，会导致脚轴32的所述接触部X处的耐久性的降低。

为了解决该课题，本发明人等进行了以下的验证。

通常，在三球销构件3中，以作为表面硬化钢的一种的铬-钼钢为材料进行锻造，然后，进行渗碳淬火回火以作为热处理，由此在表面形成硬化层16。在图6中，示出使用现有的三球销构件3的材料(例如JIS G4052的铬-钼钢等，碳量小于约0.23％的相当材料)并对其进行了渗碳淬火回火(淬火温度860℃、回火温度180℃)时的脚轴32表面至芯部的硬度分布。在该情况下，根据图6明确可知，表面的硬度超过513HV，但距表面极浅的区域处的硬度低于513HV。由此，在施加了过大的转矩的情况下，对脚轴32的所述接触部处的耐久性造成影响。因此，为了解决上述的课题，需要尽可能使硬化层16形成得较深。

需要说明的是，有效硬化层深度是指从钢材的表面到临界硬度的位置为止的距离。根据JISG0557，有效硬化层的临界硬度为550HV，但也规定了“在距表面为硬化层的3倍的距离的位置处的硬度超过维氏硬度450HV的情况下，可以通过当事人间的协定而采用超过550HV的临界硬度”。如后所述，在本实施方式中，三球销构件3的内部硬度(未经淬火区域的硬度)为513HV以上，因此属于上述的例外，在本实施方式中，将有效硬化层深度的临界硬度规定为600HV。需要说明的是，硬化层16的硬度越高则在脚轴7的耐久性这方面越优选，因此优选将有效硬化层深度的临界硬度规定为653HV或者653HV以上。

为了加深硬化层16，增加渗碳层的深度是最简单的方法，但形成较深的渗碳层需要大量的渗碳时间，会导致制造成本的高涨。也考虑使用碳含量较多的钢材、例如S50C～S55C等机械构造用碳钢作为材料，并将热处理方法变更为能够比渗碳淬火更深度地进行淬火的高频淬火，但在该情况下，碳量增加而材料相应地变硬，存在对三球销构件3进行锻造时的加工载荷增大，导致锻造设备的大型化等问题。

经过以上的考察，本发明人等对于使渗碳处理的条件、淬火回火的条件与以往相同，并且使用与以往相比高碳量的表面硬化钢的情况的有效性进行了验证。在图7中，示出使用铬-钼钢且碳量约0.34％相当材料作为材料并进行了渗碳淬火回火时的硬度分布。淬火温度为850℃，回火温度为180℃。需要说明的是，图7中的横轴(距表面的深度)以与图6相同的比例尺示出。

根据图7的结果明确可知，通过增加表面硬化钢的碳量，能够如预期一般增加硬化层16的深度。作为像这样增加了硬化层16的深度的结果，也可以理解为内部硬度成为513HV以上。另一方面，渗碳淬火回火后的芯部的硬度(内部硬度)达到550HV左右，因此存在脚轴32的韧性降低，三球销构件3的反复疲劳强度降低的可能性。关于该问题的对策将在后文叙述。

需要说明的是，在以上的说明中，例示出了使用碳量约0.34％相当材料作为三球销构件3的材料的情况，但能够使用的材料的种类并没有限定。例如只要是铬-钼钢，则除了SCM435以外，也能够使用SCM440等。另外，也能够使用淬火性有保证的所谓的H钢(例如SCM435H、SCM440H等：JISG4052所规定)。只要是表面硬化钢，也能够使用其他种类的钢材，例如也能够使用JIS G4053所规定的铬钢(例如SCr435、SCr440等)作为材料。铬钢例如也能够使用SCr435H、SCr440H等H钢。并不局限于铬-钼钢、铬钢等表面硬化钢，也能够使用S10C～S35C等机械构造用碳钢(JIS G4051所规定)作为材料。

若考虑到对三球销构件3进行冷锻时的成形性，则优选使用碳量0.44％以下的钢材。需要说明的是，在例如进行热锻的情况等那样锻造时的成形性不会成为问题的情况下，也能够使用含有超过0.44％的碳量的钢材。若为碳量1％以下的表面硬化钢，则在热锻时也不会产生特别的不良情况。

在以上所述的改良产品中，如上所述，可知脚轴32的根部(中间部33)的强度存在弱点。推测其原因在于，三球销构件3的整体从表面到较深的区域被高硬度化，从而三球销构件3的韧性降低，其结果是，在伴随于转矩传递而反复作用有拉伸载荷的中间部33，三球销构件3的疲劳强度降低，对中间部33的强度造成影响。若想要通过材料方面或热处理方法的重新研究来解决该课题，则不得不降低脚轴32的接触部X处的耐久性，因此期望从别的观点出发来解决课题。

基于以上的验证，在本发明中，为了提高脚轴32的根部处的强度，从形状方面对三球销构件3进行了重新研究。

具体而言，在本发明中，将外侧联轴器构件2的滚子引导面6的节圆直径设为PCD(参照图2)，将位于三球销构件3的脚轴32与主体部31之间的圆弧状的中间部33的曲率半径设为R，将在三球销构件3的主体部31的内周面形成的花键34的大径部34a到中间部33为止的最小距离设为t(参照图5)，设为R/PCD≥0.0850、且t/PCD≥0.145。需要说明的是，PCD、R、t均是相同的单位(mm)。

图8是将图2中的三球销构件3的中间部33附近放大示出的剖视图。如图8中以实线所示，中间部33的内径侧相对于主体部31的外周面以描绘出切线的方式平滑地相连。另一方面，中间部33的外径侧相对于脚轴32的外周面而隔着微小的台阶Z相连。该台阶Z由于在三球销构件3的冷锻后对脚轴32的外周面进行磨削时，脚轴32的外周面与该磨削加工余量相应地后退而产生。如以双点划线所示那样，当增大中间部33’的曲率半径R时，在中间部33’的外径侧，圆弧状的中间部33’到达磨削前的磨削预定区域G，磨削加工余量Y变大。磨削加工余量Y的增大会对磨削精度造成不良影响。从防止磨削精度降低的观点出发，一直以来设定为R/PCD＜0.0850。

在本发明中，设为R/PCD≥0.0850，因此能够增大中间部33的壁厚、即花键34的大径部34a(参照图5)与中间部33之间的最小距离t(图8参照壁厚)。具体而言，能够设为t/PCD≥0.145。通过中间部33的壁厚像这样变大，即使硬化层的深度变深而三球销构件3的韧性降低，也能够提高脚轴32的根部(中间部33)的强度、特别是疲劳强度。因此，能够提高脚轴32的扭转强度，从而提高三球销构件的设计自由度。

通过像这样增大中间部33的曲率半径R，磨削加工余量Y在中间部33的外径侧增大，但通过本发明人的验证，确认到只要为R/PCD≤0.20的范围，则不会对脚轴32的外周面进行磨削时的磨削精度造成不良影响。因此，R/PCD的上限值优选为0.20。即，优选设定为0.0850≤R/PCD≤0.20。另外，若t/PCD的值过大，则三球销构件3会不必要地大型化而导致重量增加，因此t/PCD的值优选以0.20为上限(t/PCD≤0.20)。

以上所述的发明的实施方式也能够应用于具有其他结构的双列滚子型的三球销型等速万向联轴器。

例如，也能够将脚轴32的外周面形成为凸曲面(例如剖面凸圆弧状)，将内圈12的内周面12a形成为圆筒面状。另外，也能够将脚轴32的外周面形成为凸曲面(例如剖面凸圆弧状)，将内圈12的内周面12a形成为与脚轴外周面相嵌合的凹球面。此时，也能够通过在外圈的内径两端部设置凸缘而省去垫圈14、15。

以上所述的三球销型等速万向联轴器1并不局限于应用于机动车的驱动轴，也能够广泛地应用于机动车、工业机器等动力传递路线。

附图标记说明

1三球销型等速万向联轴器；2外侧联轴器构件；3三球销构件；4滚子单元；5滚道槽；6滚子引导面；8轴(轴)；11滚子(外圈)；12内圈；13滚针；16硬化层；30中心孔；31主体部；32脚轴；33中间部；34内花键。

Claims (3)

1.一种三球销型等速万向联轴器，具有：

外侧联轴器构件，其在圆周方向上的三处具备沿轴向延伸的滚道槽，各滚道槽具有在圆周方向上对置配置的一对滚子引导面；

三球销构件，其具备具有中心孔的主体部、三个沿该主体部的半径方向突出的脚轴、以及位于主体部与脚轴之间且纵剖面呈圆弧状的中间部，在所述主体部的中心孔形成有花键；

滚子，其装配于各所述脚轴；以及

内圈，其外嵌于所述脚轴，将所述滚子支承为旋转自如，

所述滚子能够沿着所述滚子引导面在所述外侧联轴器构件的轴向上移动，

由所述滚子和所述内圈形成滚子单元，所述滚子单元能够相对于所述脚轴进行摇头摆动，

所述三球销构件的芯部处的碳含量为0.23％～0.44％，在所述脚轴的表面通过渗碳淬火回火而设置有硬化层，

所述三球销型等速万向联轴器的特征在于，

将所述外侧联轴器构件的所述滚子引导面的节圆直径设为PCD，将所述三球销构件的所述中间部处的曲率半径设为R，将所述三球销构件的花键的大径部到所述中间部为止的最小距离设为t，则R/PCD≥0.0850、且t/PCD≥0.145。

2.根据权利要求1所述的三球销型等速万向联轴器，其中，

所述三球销构件的脚轴的表面硬度为653HV以上。

3.根据权利要求1或2所述的三球销型等速万向联轴器，其中，

所述三球销构件的内部硬度为513HV以上。