JP2001065591A

JP2001065591A - プロペラシャフト用固定式等速自在継手

Info

Publication number: JP2001065591A
Application number: JP23579099A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Hayama; 佳彦葉山; Haruo Hase; 陽夫長谷
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1999-08-23
Filing date: 1999-08-23
Publication date: 2001-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】プロペラシャフト用固定式等速自在継手のよ
り一層の軽量化、コンパクト化、低コスト化。【解決手段】外方継手部材10と内方継手部材20との間
でトルクを伝達するためのボール30が転動するボールト
ラック（14，24）が軸方向の一端側から他端側に向かっ
て楔状に開いており、前記他端側において、外方継手部
材10の凹球面状内周面12を案内溝14の溝底の端部よりも
軸端側まで延長する。ボールトラックを延長することな
く球面部のみ軸方向に伸ばすことで、コンパクトさを保
持しつつもケージの案内接触に役立つ球面の面積を稼
ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車のプロペラ
シャフト用の固定式等速自在継手に関する。

【０００２】

【従来の技術】プロペラシャフトは４輪駆動車（４ＷＤ
車）や前部機関後輪駆動車（ＦＲ車）等においてトラン
スミッションからディファレンシャルに回転動力を伝達
するために使用され、２継手型が一般的であるが、車両
構造や要求特性によって３継手型や４継手型等も用いら
れている。

【０００３】等速自在継手には、大別して、２軸間の角
度変位のみを許容する固定式と、角度変位および軸方向
変位（プランジング）を許容する摺動式とがあり、それ
ぞれ使用条件、用途等に応じて選択して使用される。本
発明は固定式等速自在継手を対象としている。

【０００４】現在、一部の高級車を除いて、４ＷＤ車や
ＦＲ車のプロペラシャフトにはカルダンジョイント（十
字軸を用いた自在継手）を使用するのが主流になってい
る。しかし、カルダンジョイントの不等速性により、車
両のＮＶＨ特性が悪くなる。また、カルダンジョイント
には摺動機構がないため、車体のバウンド等によるジオ
メトリーの変化を吸収するために、プロペラシャフトと
してスライドスプライン（またはセレーション）が必要
である。ところが、この部分は非常にがたも大きく、ス
ライド抵抗が大きいため、回転中の振動やスライド時に
スティックスリップなどの異常振動を伴うことがある。
したがって、車両の乗り心地という面で不快な騒音や振
動を搭乗者に感じさせることが分かっている。このた
め、ＮＶＨ特性を改善する手段として、プロペラシャフ
トに等速自在継手を採用する傾向がある。

【０００５】図７はプロペラシャフトの全体概観を例示
したもので、プロペラシャフト１は中間軸２の両端に等
速自在継手５，６を取り付けて構成されている。図の右
側の等速自在継手５は摺動式で、左側の等速自在継手６
は固定式である。中間軸２の両端部にスタブシャフト
３，４が一体的に固着されていて、このスタブシャフト
３，４に等速自在継手５，６の内方継手部材をセレーシ
ョンまたはスプライン結合し、止め輪で抜け止めをする
ようになっている。通常、スタブシャフト３，４は鋼製
の中実軸、中間軸２は鋼または繊維強化プラスチック
（ＦＲＰ）等からなる中空軸である。

【０００６】固定式等速自在継手６は、図８に示すよう
に、外方継手部材１０と、内方継手部材２０と、複数の
ボール３０（図８では１個だけが現れている。）と、ケ
ージ４０とを主要な構成要素としている。固定式等速自
在継手６の基本的構成は図１を参照して後述する本発明
の固定式等速自在継手と実質上変わるところはないの
で、共通の要素には同じ符号を付してここでは詳細な説
明を省略する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】自動車の動力伝達機構
において、等速自在継手はドライブシャフト用に多くの
実績があり、これまでプロペラシャフトに使用されてき
た等速自在継手は、ドライブシャフト用としての設計を
そのまま採用したものが多い。しかし、動力伝達の特性
を比較した場合、プロペラシャフトに負荷されるトルク
はドライブシャフトの半分程度であり、作動角の実用域
もドライブシャフトより小さい。したがって、ドライブ
シャフト用としての設計をそのまま採用した従来の仕様
では要求特性に対してオーバースペックの感がある。ま
た、プロペラシャフトに等速自在継手を搭載した場合、
従来のカルダンジョイントに比べて重量がアップしてし
まうという問題もある。そこで、より一層の軽量化、コ
ンパクト化、低コスト化を図る観点から改善の余地が認
められる。また、プロペラシャフトはドライブシャフト
よりも高速で回転するので、高速回転性の点からも継手
部分はよりコンパクトであることが好ましい。

【０００８】等速自在継手をプロペラシャフト用に専用
設計する場合、作動角を小さく設定することによって大
幅なサイズダウンが可能になる。作動角を小さく設定す
ることによってボールの転動長さが短くなり、したがっ
てトラックの所要長さが短くてすむからであり、その結
果、外方継手部材の軸方向寸法つまり幅寸法が短くな
る。しかしながら、幅寸法の短縮に伴い、外方継手部材
の凹球面状内周面の軸方向寸法も短くなるので、球面力
を受ける面積が狭くなり、発熱性の悪化が懸念される。
このため、球面部の面積を確保するため、凹球面状内周
面を軸方向へ伸ばしてやることが有効である。その一方
で、外方継手部材の球面部の面積を確保するためとはい
え、外方継手部材を軸方向に広げることは先に延べたサ
イズダウンの考え方と逆行することになる。また、トラ
ック長さが長くなると組込み角度を大きくする必要があ
るため、ケージの円周方向の窓幅を広げる必要がある。
ところが、ケージの窓幅はケージの外径、肉厚、柱幅と
の関係から限界がある。

【０００９】固定式等速自在継手の組立に際しては、内
方継手部材２０とケージ４０とのアセンブリを外方継手
部材１０の内径面に組み込んだ後、図９に示すように、
内方継手部材２０を外方継手部材１０に対して所定角度
θ0 だけ相対的に角度変位させ（この時の角度θ0 を
「組込み角」という。）、ケージ４０のポケット４６を
継手外部に臨ませた状態にして、そのポケット４６にボ
ール３０を組み入れる。外方継手部材１０と内方継手部
材２０を相対的に角度変位させてボール３０をケージ４
０の所定のポケット４６に組み込む際、他のポケットに
既に組み込まれたボールは回転方向の位相変化に伴い、
ケージ４０のポケット４６に対して円周方向および半径
方向に移動する。このときのボール３０の移動量は角度
θ0 に比例して大きくなる。ケージ４０のポケット４６
の円周方向寸法は、このボール３０の円周方向移動量を
考慮して、ボール３０との干渉が生じないような値に設
定する必要がある。そのため、組込み角θ0 が過大であ
るとポケット４６の円周方向寸法を大きくする必要が生
じ、ポケット４６間の柱部４７の円周方向寸法が過小と
なってケージの強度不足が懸念される。

【００１０】本発明の技術的課題は、組込み角度を大き
くすることなく、球面角が小さくてコンパクトでありな
がらケージが安定して案内されるようにしたプロペラシ
ャフト用固定式等速自在継手を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、トラック長さ
を変えることなく、外方継手部材の球面部のみ軸方向に
長くすることによって課題を解決したものである。すな
わち、請求項１の発明は、円周方向等分位置に軸方向に
延びる案内溝を形成した凹球面状内周面を有する外方継
手部材と、円周方向等分位置に軸方向に延びる案内溝を
形成した凸球面状外周面を有しプロペラシャフトの軸部
と歯型嵌合する内方継手部材と、対をなす外方継手部材
の案内溝と内方継手部材の案内溝とで形成されたボール
トラックに配されたボールと、外方継手部材の凹球面状
内周面と内方継手部材の凸球面状内周面との間に介在し
て前記ボールを保持するケージとを備え、ボールトラッ
クが軸方向の一端側から他端側に向かって楔状に開いて
おり、前記他端側において、外方継手部材の凹球面状内
周面の端部が案内溝の溝底の端部よりも軸端側に位置し
ていることを特徴とする。プロペラシャフトの軸部たと
えばスタブシャフトと歯型嵌合する内方継手部材の嵌合
部は、たとえば、スプライン穴またはセレーション穴の
形態をとる。

【００１２】一般に、外方継手部材へのケージの組込み
が可能かどうかは、外方継手部材の入口径とケージのポ
ケットとの関係で決定される。外方継手部材の凹球面状
内周面を軸方向に伸ばしてゆくと、当然、ポケットの円
周方向寸法を広げてやらなくてはならない。しかしなが
ら、上述のとおりポケットの円周方向寸法の拡大には限
界がある。したがって、ポケットの円周方向寸法を広げ
る代わりに、ケージの凸球面状外周面の頂点部、言い換
えればケージの最大外径部分となる軸方向中央部に、外
方継手部材の組込みを可能ならしめる入れ溝を設けるこ
とによって対策する（請求項２）。入れ溝の形状や寸法
は、外方継手部材の入口径Ｄと、凹球面状内周面の開口
端部における案内溝間のランド部の幅Ｌから決定され
る。具体的には、ケージの外周面の軸方向中央部の外径
を僅かに小径とする（請求項３）。入れ溝の役割は、外
方継手部材と干渉することなくケージの組込みを可能な
らしめることにあり、ケージの外周面の軸方向中央部に
形成した円筒面（請求項４）や、ケージの外周面の軸方
向中央部に形成した環状溝（請求項５）のように全周に
わたって設けるほか、円周方向に断続的に配置すること
もできる。たとえば、ケージの凸球面状外周面のうちボ
ールを収容するポケットの周方向縁部を平坦にする（請
求項６）ことなどが挙げられる。

【００１３】ボールの数は従来６個のものが一般的であ
ったが、請求項７の発明のように、外方継手部材および
内方継手部材の案内溝の数およびボールの数を８とする
ことにより、ボール１個当たりの負荷が減少する結果、
ボールの直径とピッチ円直径を小さくすることができる
ので、外方継手部材の小径化が可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に従って説明する。

【００１５】まず、図１および図２に従って基本的構成
を説明すると、固定式等速自在継手は外方継手部材１０
と、内方継手部材２０と、複数のボール３０と、ケージ
４０とを主要な構成要素としている。なお、基本的構成
に関する限り、既述の図７および図８の固定式等速自在
継手６も同様である。

【００１６】外方継手部材１０は略円筒状で、凹球面状
内周面１２の円周方向等分位置に軸方向に延びる８本の
案内溝１４を形成してある。軸線を含む断面（図１）に
おいて、案内溝１４は継手の角度中心Ｏから軸方向に離
間した位置に曲率中心Ｏ1 をもった円弧である。外方継
手部材１０の一端にはフランジ１６を形成し、このフラ
ンジ側の開口はエンドプレート１８によって閉塞されて
いる。このフランジ１６を通じて外方継手部材１０は自
動車のトランスミッションまたはディファレンシャルの
歯車軸に連結される。あるいは、３継手型や４継手型な
どのプロペラシャフトの場合、外方継手部材１０を他の
中間軸に連結することもある。

【００１７】内方継手部材２０は凸球面状外周面２２を
有し、その円周方向等分位置に軸方向に延びる８本の案
内溝２４を形成してある。軸線を含む断面（図１）にお
いて、案内溝２４は継手の角度中心Ｏから軸方向に離間
した位置に曲率中心Ｏ2 をもった円弧である。内方継手
部材２０は歯型（スプラインまたはセレーション）を有
する嵌合部２６にてスタブシャフト４と歯型結合する。

【００１８】外方継手部材１０の案内溝１４と内方継手
部材２０の案内溝２４とが対をなしてボールトラックを
形成し、各ボールトラックに１個のボール３０が組み込
まれる。ボール３０が両案内溝１４，２４間に介在して
外方継手部材１０と内方継手部材２０との間でトルクを
伝達する。ボール３０はケージ４０の円周方向に等間隔
に形成されたポケット４６内に収容される。ケージ４０
の凸球面状外周面４２は外方継手部材１０の凹球面状内
周面１２と球面接触する。ケージ４０の凹球面状内周面
４４は内方継手部材２０の凸球面状外周面２２と球面接
触する。

【００１９】外方継手部材１０の案内溝１４の曲率中心
Ｏ1 と内方継手部材２０の案内溝２４の曲率中心Ｏ2 と
は、継手の角度中心０に対して、それぞれ、軸方向に等
距離だけ反対側にオフセットしている。したがって、対
をなす外方継手部材１０の案内溝１４と内方継手部材２
０の案内溝２４とで形成されるボールトラックは軸方向
の一方から他方に向かって開いた楔状を呈する。その結
果、継手が作動角をとった状態でトルクを伝達すると
き、ケージ４０は、内方継手部材２０の傾きに応じてボ
ールトラック上を転動するボール３０の位置まで回転
し、すべてのボール３０を常に作動角の二等分線に垂直
な平面内に配向せしめ、そうすることによって、ボール
３０の中心から外方継手部材１０の軸線までの距離と内
方継手部材２０の軸線までの距離とが相等しくなり、継
手の等速性が保たれる。

【００２０】外方継手部材１０のエンドプレート１８と
反対側の開口端部には可撓性材料製のダストブーツ５２
が装着される。ダストブーツ５２は、一端を外方継手部
材１０に嵌合させて取り付けた金属製のアダプタ５４の
他端に大径端部を抱き込ませ、小径端部をブーツバンド
５６によってスタブシャフト４の外周に固定してある。
ダストブーツ５２とエンドプレート１８とで継手内部を
シールし、内部に充填されたグリースの漏洩、および、
外部からの異物の侵入を防止する。

【００２１】次に、図３は固定式等速自在継手の外方継
手部材を対比して示したもので、（Ａ）はドライブシャ
フト用のもの（比較例１）、（Ｂ）は本発明の開発過程
で製作したプロペラシャフト用のもの（比較例２）、
（Ｃ）は本発明の実施の形態におけるプロペラシャフト
用のもの（実施例）である。固定式等速自在継手をプロ
ペラシャフト用に専用設計するにあたり、設計方針とし
てドライブシャフト用（図３（Ａ））より作動角を小さ
く設定した（図３（Ｂ））。そうすることによって、径
方向、軸方向ともに大幅なサイズダウンが可能となっ
た。ところで、作動角が小さいということは、ボールの
転動距離すなわちボールトラックの長さが短くてよいと
いうことを意味するので、外方継手部材１０の幅（図３
中、符号Ｗ₁〜Ｗ₃で示す。）も小さくてすむわけであ
る（Ｗ₁＞Ｗ₂≒Ｗ₃）。したがって、外方継手部材１
０の凹球面状内周面１２の幅も小さくなる、言い換えれ
ば球面角が小さくなる。継手の角度中心Ｏと外方継手部
材１０の凹球面状内周面１２の端部とを結ぶ線がなす角
度を球面角（図３中、符号α₁〜α₃で示す。）と呼ぶ
ならば、この球面角が大きいほどケージ４０の凸球面状
外周面４２と案内接触する凹球面状内周面１２の面積が
広く、逆に球面角を小さくすると球面力を受ける面積が
小さくなってしまう。このため、外方継手部材１０によ
るケージ４０の軸方向の固定が行ないにくく、発熱に悪
影響を及ぼすことが懸念される。

【００２２】そこで、外方継手部材１０の凹球面状内周
面１２だけを軸方向に伸ばしてやることによって（図３
（Ｃ））、比較例１（図３（Ａ））の球面角に近付ける
ことを行なった（α₁≒α₃）。すなわち、図１および
図４に示すように、外方継手部材１０の凹球面状内周面
１２の端部は案内溝１４の溝底の端部よりも軸端側に位
置している。このようにして球面力を受ける面積を広げ
たことにより、摩擦発熱の抑制が期待できる。外方継手
部材１０の軸方向寸法を小さくしてコンパクト化した
分、凹球面状内周面１２のみを軸方向に伸ばすことによ
って、トラックの軸方向寸法を延長することなく、球面
部の面積を稼ぎ、球面力を受ける面積を広げたものであ
る。

【００２３】ところが、凹球面状内周面１２だけを伸ば
そうとすると、ケージ４０のこれまでの設計方法では窓
幅（ポケット４６の円周方向寸法）を大きく取らなけれ
ばならず、柱幅（柱４７の円周方向寸法）がなくなって
しまう。図９に関連して既に述べたとおり、ケージ４０
の柱幅を小さくするには限界があり、窓幅の拡大ではこ
の問題を解決できない。そこで、機能上あまり必要とし
ない部分に組込み用の入れ溝を設けることにより、柱幅
を確保しつつ組込みを可能とした。すなわち、図５に示
すように、ケージ４０の凸球面状外周面４２の頂点部、
つまり軸方向の中央部に、入れ溝４８を設けた（図５
（Ｂ））。実際の強度試験でもこの部分がきっかけとな
る破壊形態は見られていないため、問題ないと考える。

【００２４】入れ溝４８の形状や寸法は、外方継手部材
１０にケージ４０を組み込む過程を示した図６から分か
るように、外方継手部材１０の入口径Ｄと、球面入口部
の幅Ｌ（図４（Ｂ））から決定される。たとえば、図５
（Ｂ）はケージ４０の凸球面状外周面４２の軸方向中央
部に形成した環状溝の形態をした入れ溝４８を示してい
る。入れ溝４８は文字どおりの溝である必要はなく、ケ
ージ４０の凸球面状外周面４２の軸方向中央部に円筒面
を形成したり、あるいは、ケージ４０の凸球面状外周面
４２のうち軸方向中央部の外径を僅かに小径とした形態
をとることも可能である。さらに、ケージ４０の凸球面
状外周面４２のうちボール３０を収容するポケット４６
の周方向縁部、言い換えれば、柱部４７の壁面の外径側
稜部を平坦にすることによってもケージ４０の組込みを
可能とすることができる。したがって、この場合の平坦
部も入れ溝の一形態に含まれるものとする。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
外方継手部材の凹球面状内周面のみを軸方向に伸ばすこ
とによって、トラック長さを伸ばすことなく、球面角を
増大させてして球面部の面積を稼ぐことができる。した
がって、コンパクト性を維持したまま、ケージの安定し
た挙動を得ることができ、発熱を抑えることができる。
このようにして、作動角を小さく設定しながらも比較的
大きな球面角を確保した、プロペラシャフト用に専用設
計されたコンパクトな固定式等速自在継手を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】プロペラシャフト用固定式等速自在継手の縦断
面図である。

【図２】プロペラシャフト用固定式等速自在継手の横断
面図である。

【図３】外方継手部材の縦断面図であって、（Ａ）はド
ライブシャフト用（比較例１）、（Ｂ）は本発明の開発
過程に製作されたプロペラシャフト用（比較例２）、
（Ｃ）はプロペラシャフト用（実施例）を示す。

【図４】（Ａ）は外方継手部材の縦断面図、（Ｂ）は端
面図である。

【図５】（Ａ）はケージの端面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ
−Ｂ断面図である。

【図６】外方継手部材とケージの組込み過程を示す説明
図である。

【図７】プロペラシャフトの全体概観を示す縦断面図で
ある。

【図８】固定式等速自在継手の縦断面図である。

【図９】ボールの組込み過程を示す断面図である。

【符号の説明】

１プロペラシャフト２中間軸３スタブシャフト４スタブシャフト５摺動式等速自在継手６固定式等速自在継手１０外方継手部材１２凹球面状内周面１４案内溝１６フランジ１８エンドプレート２０内方継手部材２２凸球面状外周面２４案内溝２６嵌合部３０ボール４０ケージ４２外周面４４内周面４６ポケット４７柱４８入れ溝５２ダストブーツ５４アダプタ５６ブーツバンド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円周方向等分位置に軸方向に延びる案内
溝を形成した凹球面状内周面を有する外方継手部材と、
円周方向等分位置に軸方向に延びる案内溝を形成した凸
球面状外周面を有しプロペラシャフトの軸部と歯型嵌合
する内方継手部材と、対をなす外方継手部材の案内溝と
内方継手部材の案内溝とで形成されたボールトラックに
配されたボールと、外方継手部材の凹球面状内周面と内
方継手部材の凸球面状内周面との間に介在して前記ボー
ルを保持するケージとを備え、ボールトラックが軸方向
の一端側から他端側に向かって楔状に開いており、前記
他端側において、外方継手部材の凹球面状内周面の端部
が案内溝の溝底の端部よりも軸端側に位置していること
を特徴とするプロペラシャフト用固定式等速自在継手。
【請求項２】外方継手部材へのケージの組込みを可能
にするための入れ溝をケージの外周面に設けたことを特
徴とする請求項１に記載のプロペラシャフト用固定式等
速自在継手。
【請求項３】ケージの軸方向中央部の外径を僅かに小
径としたことを特徴とする請求項２に記載のプロペラシ
ャフト用固定式等速自在継手。
【請求項４】ケージの外周面の軸方向中央部が円筒面
であることを特徴とする請求項２に記載のプロペラシャ
フト用固定式等速自在継手。
【請求項５】ケージの外周面の軸方向中央部に環状溝
を形成したことを特徴とする請求項２に記載のプロペラ
シャフト用固定式等速自在継手。
【請求項６】ケージの外周面のうち、ボールを収容す
るポケットの周方向縁部を平坦にしたことを特徴とする
請求項２に記載のプロペラシャフト用固定式等速自在継
手。
【請求項７】外方継手部材および内方継手部材の案内
溝の数ならびにボールの数が８であることを特徴とする
請求項１乃至６のいずれかに記載のプロペラシャフト用
固定式等速自在継手。