JP2005083408A - 固定式等速自在継手 - Google Patents

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Abstract

【課題】8個ボールの固定式等速自在継手において、高角時の保持器強度の確保と、高角・高トルク負荷時の耐久寿命の確保という両重要機能を満足させる。
【解決手段】内球面1aに軸方向に伸びる8本の曲線状の案内溝1bを形成した外側継手部材1と、外球面2aに軸方向に伸びる8本の曲線状の案内溝2bを形成した内側継手部材2と、外側継手部材1の案内溝1bと内側継手部材2の案内溝2bとの間に配された8個のボール3と、外側継手部材1と内側継手部材2との間に介在してボール3を保持する保持器4とを備え、外側継手部材1の案内溝1bの中心Pを内球面1aの球面中心Oに対し、内側継手部材2の案内溝2bの中心Qを外球面2aの球面中心Oに対し、それぞれ、軸方向で反対側に、等距離(PO=QO=F)だけオフセットさせた固定式等速自在継手であって、保持器4の肉厚をA、最大作動角時のボールのラジアル方向移動量をBとしたとき、0.45≦B/A≦0.65の関係が成り立つようにする。
【選択図】図1

Description

本発明は、自動車や各種産業機械における動力伝達に用いられる等速自在継手に関し、より詳しくは8個のボールを備えた固定式等速自在継手に関する。
等速自在継手は軸方向にスライドしない固定式とスライド可能な摺動式とに区分される。図8に固定式等速自在継手の代表例としてツェッパ型等速自在継手(以下、BJタイプと称する。)を示す。この等速自在継手は、内球面11aに軸方向に伸びる6本の曲線状の案内溝11bを形成した外側継手部材としての外輪11と、外球面12aに軸方向に伸びる6本の曲線状の案内溝12bを形成した内側継手部材としての内輪12と、外輪11の案内溝11bと内輪12の案内溝12bとの間に配された6個のボール13と、ボール13を保持する保持器14とで構成される。
案内溝11b,12bの中心P,Qは、継手中心Oに対し、軸方向の左右に等距離(PO=QO)だけオフセットさせてある。すなわち、外輪11の案内溝11bの中心Pは内球面11aの球面中心Oに対し、距離POだけ、外輪11の開口側にオフセットさせてある。内輪12の案内溝12bの中心Qは外球面12aの球面中心Oに対し、距離QOだけ、外輪11の奥側にオフセットさせてある。外輪11の内球面11aおよび内輪12の外球面12aの球面中心は継手中心Oと一致している。
連結すべき二軸の一方(図示せず)と外輪11を接続し、他方(軸部15)を内輪12と接続する。そのために内輪12は、軸部15と連結するための歯型(セレーションまたはスプライン)12cを備えている。外輪11と内輪12とが角度をなすと、保持器14に案内されたボール13は外・内輪11,12のなす角度θの二等分線に垂直な平面内に維持され、それにより継手の等速性が確保される。
固定式等速自在継手において、高角(最大作動角50°)対応の等速自在継手は、ボール13が6個のアンダーカットフリージョイント(以下、UJタイプと称する。)であったが、ボール個数を増やし、ボール径を小さくすることで、強度、耐久性が同等で、よりコンパクトな8個ボールのUJタイプが開発されている(例えば、特開平9−317784号公報参照)。
特開平9−317784号公報
固定式等速自在継手では、作動角をとった状態でトルクを伝達するとき、保持器ポケット内においてボールが円周方向に動くのと同時にラジアル方向へも移動する(図1参照)。従来の6個ボールの固定式等速自在継手では、保持器の肉厚について、継手が最大作動角をとったときにボールがラジアル方向に移動する量を満足する、言い換えれば、ボール接触点が保持器ポケット内に収まる、最小限の肉厚設定を行っていた。これは、保持器の肉厚を増加させると、外・内輪の案内溝深さが浅くなり、高角・高負荷時の継手の耐久寿命が低下するためである。
より一層のコンパクト化、軽量化を実現できる8個のトルク伝達ボールを備えた固定式等速自在継手では、高作動角時の強度を、従来の6個ボールの等速自在継手と同等に確保することが重要である。保持器の強度をアップさせるには保持器を厚くしてやればよいが、保持器の厚さを増加させるとそれに伴って外・内輪の案内溝深さが浅くなる。外・内輪の案内溝深さが浅くなると、高角時、高トルク負荷時にボールの接触楕円の乗り上げが生じ、耐久寿命低下を招く。
そこで、本発明の目的は、8個ボールの固定式等速自在継手において、高角時の保持器強度の確保と、高角・高トルク負荷時の耐久寿命の確保といった両重要機能を満足させることにある。
本発明は、8個のボールを有する固定式等速自在継手において、高角時の保持器強度と、高角・高負荷時の耐久寿命を、従来の6個ボール固定式自在継手と同等以上とするべく、保持器の最適厚さを追求したものである。
すなわち、請求項1に記載の固定式等速自在継手は、内球面1aに軸方向に伸びる8本の曲線状の案内溝1bを形成した外側継手部材1と、外球面2aに軸方向に伸びる8本の曲線状の案内溝2bを形成した内側継手部材2と、外側継手部材1の案内溝1bと内側継手部材2の案内溝2bとの間に配された8個のボール3と、外側継手部材1と内側継手部材2との間に介在してボール3を保持する保持器4とを備え、外側継手部材1の案内溝1bの中心Pを内球面1aの球面中心Oに対し、内側継手部材2の案内溝2bの中心Qを外球面2aの球面中心Oに対し、それぞれ、軸方向で反対側に、等距離Fだけオフセットさせた固定式等速自在継手であって、保持器4の肉厚をA、最大作動角θmax.時のボール3のラジアル方向移動量をBとしたとき、0.45≦B/A≦0.65の関係が成り立つことを特徴とするものである。
また、請求項2に記載の固定式等速自在継手は、内球面1aに軸方向に伸びる8本の曲線状の案内溝1bを形成した外側継手部材1と、外球面2aに軸方向に伸びる8本の曲線状の案内溝2bを形成した内側継手部材2と、外側継手部材1の案内溝1bと内側継手部材2の案内溝2bとの間に配された8個のボール3と、外側継手部材1と内側継手部材2との間に介在してボール3を保持する保持器4とを備え、外側継手部材1の案内溝1bの中心Pを内球面1aの球面中心Oに対し、内側継手部材2の案内溝2bの中心Qを外球面2aの球面中心Oに対し、それぞれ、軸方向で反対側に、等距離Fだけオフセットさせ、かつ、保持器の外球面と内球面の球面中心を軸方向に等距離fだけ反対側にオフセットさせた固定式等速自在継手であって、外側継手部材1および内側継手部材2の各案内溝1b,2bに、直線状の溝底を有するストレート部1c,2cを設け、保持器4の肉厚をA、最大作動角θmax.時のボール3のラジアル方向移動量をBとしたとき、0.65≦B/A≦0.85の関係が成り立つことを特徴とするものである。
請求項3の発明は、請求項1または2の等速自在継手において、オフセット量Fと、外側継手部材1の案内溝1bの中心Pまたは内側継手部材2の案内溝2bの中心Qとボール3の中心O3とを結ぶ線分の長さPCRとの比(F/PCR)の値R1が、0.069≦R1≦0.121の範囲内であることを特徴とするものである。
請求項4の発明は、請求項3の固定式等速自在継手において、各案内溝1b,2bとボール3との接触角αが29°〜40°であることを特徴とするものである。オフセット量Fを小さくすると、外側継手部材1および内側継手部材2の案内溝1b,2b間のくさび角2τの反転開始角度が小さくなり、くさび角2τの反転時にボール3が案内溝の中で遊びやすくなることから、打音の発生が懸念される。そこで、このくさび角反転開始角度を、少なくとも車両などの常用角以上に設定するために、各案内溝1b,2bとボール3との接触角αを29°〜40°に設定する。ここで、くさび角2τとは、ボール3と外側継手部材1の案内溝1bとの負荷側接触点の共通法線と、ボール3と内側継手部材2の案内溝2bの負荷側接触点の共通法線とのなす角度をいう。なお、車両などにおける常用角は一般に9°以下である。継手の作動角が大きくなると、くさび角が0を越えてマイナス側となる。この0を越えてくさび角の符号が変わることをくさび角の反転という。
オフセット量Fと、外側継手部材1の案内溝1bの中心Pまたは内側継手部材2の案内溝2bの中心Qとボール3の中心O3とを結ぶ線分の長さPCRとの比(F/PCR)の値R1と、接触角αと、くさび反転開始角度との関係を下表に示す。
表1から、接触角αが小さいほど、くさび角反転開始角度を大きくすることができることが分かる。また、オフセット量Fが大きいほど、くさび角反転開始角度を大きくできることが分かる。したがって、上記の構成のように、オフセット量Fと、外側継手部材1の案内溝1bの中心Pまたは内側継手部材2の案内溝2bの中心Qとボール3の中心O3とを結ぶ線分の長さPCRとの比(F/PCR)の値R1を0.069≦R1≦0.121の範囲内に設定するとともに、各案内溝1b,2bとボール3との接触角αを29°〜40°とすることにより、ボール3の接触楕円が案内溝部から外れて球面部に乗り上げてしまうことがなくなるとともに、少なくとも車両などの常用角以下の作動角において、案内溝1b,2bの中でのボール3の遊びがなくなり、打音の発生がなくなる。
本発明による固定式等速自在継手は、上記の保持器肉厚Aを確保することにより、6個のボールを有する固定式等速自在継手と同等以上の耐久寿命、高角強度を有し、かつ、より軽量・コンパクト化を達成することができる。
以下、図面に例示した本発明の実施の形態を説明する。
まず、図2および図3に示すBJタイプの実施の形態について説明する。ここで、図2(a)は固定式等速自在継手の縦断面図、図2(b)は横断面図である。図3は図2(a)の要部拡大図である。
図2および図3に示すように、固定式等速自在継手は、外輪1と内輪2とボール3と保持器4を主要な構成要素としている。外側継手部材としての外輪1は、カップ状で、閉じた端部側に、連結すべき二軸のうちの一方と接続するための軸部を形成している。外輪1は球状の内周面すなわち内球面1aを有し、その内球面1aに、軸方向に伸びる8本の曲線状の案内溝1bが形成されている。内側継手部材としての内輪2は、連結すべき二軸のうちの他方(軸部5)と接続するための歯型(セレーションまたはスプライン)2dを有する。内輪2は球状の外周面すなわち外球面2aを有し、その外球面2aに、軸方向に伸びる8本の曲線状の案内溝2bが形成されている。外輪1の案内溝1bと内輪2の案内溝2bは対をなし、各対の案内溝1b,2bによって形成されるボールトラックに1個のボール3が配される。合計8個のボール3は、保持器4によって円周方向に等間隔に保持される。保持器4は同心の外・内球面4a,4bを有し、外球面4aは外輪1の内球面1aと球面接触し、内球面4bは内輪2の外球面2aと球面接触する。
この実施の形態において、案内溝1b,2bの中心P,Qは、それぞれ、継手中心Oに対し、軸方向の左右に等距離(PO=QO=F)だけオフセットさせてある。すなわち、外輪1の案内溝1bの中心(外輪トラックセンタ)Pは内球面1aの球面中心Oに対し、距離POだけ、外輪1の開口側にオフセットさせてある。内輪2の案内溝2bの中心(内輪トラックセンタ)Qは外球面2aの球面中心Oに対し、距離QOだけ、外輪1の奥側にオフセットさせてある。保持器4の外球面4aの球面中心、および、保持器4の外球面4aの案内面となる外輪1の内球面1aの球面中心は、いずれも、継手中心Oと一致している。また、保持器4の内球面4bの球面中心、および、保持器4の内球面4bの案内面となる内輪2の外球面2aの球面中心は、いずれも、継手中心Oと一致している。したがって、外輪1のオフセット量(PO=F)は、案内溝1bの中心Pと継手中心Oとの間の軸方向距離となり、内輪2のオフセット量(QO=F)は、案内溝2bの中心Qと継手中心Oとの間の軸方向距離となり、両者は相等しい。
外輪1の案内溝1bの中心Pとボール3の中心O3を結ぶ線分の長さPO3と、内輪2の案内溝2bの中心Qとボール3の中心O3を結ぶ線分の長さQO3は相等しく、図2(a)に符号PCRで示してある。また、図3に示すように、外輪1の案内溝1bの中心Pとボール3の中心O3とを結ぶ線分と、継手中心Oとボール3の中心O3とを結ぶ線分とのなす角度を外輪トラックオフセット角βoと呼び、内輪2の案内溝2bの中心Qとボール3の中心O3とを結ぶ線分と、継手中心Oとボール3の中心O3とを結ぶ線分とのなす角度を内輪トラックオフセット角βiと呼ぶならば、外輪トラックオフセット角βoと内輪トラックオフセット角βiは相等しい。
以上の構成において、連結すべき二軸の一方(図示せず)と外輪1を接続し、他方(軸部5)と内輪2を接続する。外輪1と内輪2とが角度をなすと、保持器4に案内されたボール3は外・内輪1,2のなす角度θの二等分線に垂直な平面内に維持され、したがって、ボール中心O3から案内溝中心P,Qに至る距離PO3,QO3も等距離となり(PO3=QO3=PCR)、継手の等速性が確保される。
前述のように、案内溝1b,2bのオフセット量(F=PO=QO)は、比F/PCRの値R1が0.069≦R1≦0.121の範囲内になるように設定するのが、許容負荷トルクの確保、保持器強度の確保、耐久性の確保、作動性の確保の諸点から好ましい、この実施の形態では、R1=0.104(または0.1038)に設定してある。比較品(図8に示すような6個ボールの固定式等速自在継手)におけるR1の一般的な値は0.14であり、この実施の形態のR1は比較品よりもかなり小さい。
図4は、図2(b)の要部拡大図であって、外輪1、内輪2およびボール3の相互関係を示している。外輪1の内球面1aに形成された案内溝1bは横断面がゴシックアーチ状であり、内輪2の外球面2aに形成された案内溝2bは横断面がゴシックアーチ状である。したがって、ボール3は、外輪1の案内溝1bと2点C11,C12で接触し、内輪2の案内溝2bと2点C21,C22で接触する。ボール3の中心O3と継手中心Oを通る線分に対するボール3の中心O3と各案内溝1b,2bとの接触点C11,C12,C21,C22とのなす角度αが、接触角である。各接触点C11,C12,C21,C22の接触角αはすべて等しく、29°〜40°に設定されている。この29°〜40°の接触角αは、従来の6個ボールのアンダーカットフリージョイント、6個ボールの固定式ジョイント、8個ボールの固定式ジョイントなどにおける37°〜45°に比較して小さい。接触角αを29°以上に設定することにより、案内溝とボールとの接触面圧が抑えられ、従来品と同等以上の耐久性が得られる。
図5は、くさび角の反転開始角度について説明するための、図3の要部をさらに拡大した図である。既述のとおり、ボール3と外輪1の案内溝1bとの接触点C1における共通法線H1と、ボール3と内輪2の案内溝2bとの接触点C2における共通法線H2とのなす角度をくさび角2τと呼ぶ。共通法線H1は外輪1とボール3との接触点とボール中心O3を結ぶ三次元的な直線である。同様に共通法線H2は内輪2とボール3との接触点とボール中心O3を結ぶ三次元的な直線である。図5に示すように、外輪1の案内溝1bとボール3との接触点C1は、曲線状の案内溝1bによって、ボール3の中心O3を通る継手中心面に対して角度τだけ傾いている。また、内輪2の案内溝2bとボール3との接触点C2は、曲線状の案内溝2bによって、ボール3の中心O3を通る継手中心面に対して角度τだけ傾いている。くさび角はこれらの角度τの和2τに相当する。くさび角2τは、継手の作動角が高くなるにつれて、ある位相で小さくなり、やがて反転する。このくさび角2τの反転し始める作動角は、9°以上に設定されている。
図6にUJタイプの実施の形態を示す。この実施の形態は、外輪1の案内溝1bにストレート部1cを設け、内輪2の案内溝2bにストレート部1cを設けた点と、保持器4の外球面4aと内球面4bの球面中心p,qを軸方向に等距離fだけ反対方向にオフセットさせた点を除き、上述の図1の実施の形態と変わるところはない。
次に、図1に従い、8個ボールの固定式等速自在継手において、高角時の保持器強度と高角・高負荷時の耐久寿命を、従来の6個ボールの固定式等速自在継手と比較して、同等以上とするための保持器肉厚の最適値について説明する。図1(a)は、図2(a)の継手が最大作動角θmax.をとった状態を示す。そして、図の上側に表れているボールを符号3aで指してあり、このボール3aの位相が、保持器内でボールが最も保持器内径側にくる位相である。また、図の下側に表れているボールを符号3bで指してあり、このボール3bの位相が、保持器内でボールが最も保持器外径側にくる位相である。図1(b)は保持器4の縦断面図に上記ボール3a,3bを二点鎖線で付記したもので、符号Bで表されるボール3aとボール3bの中心点間距離を保持器4のポケット4c内におけるボールのラジアル方向移動量と定義する。保持器4の肉厚は、ポケット4cの円周方向壁面の半径方向寸法であって、図1(b)に符号Aで表されている。
保持器4の肉厚をAとし、最大作動角θmax時の、継手が一回転する間のボール3のラジアル方向移動量をBとすると、保持器4の肉厚Aは、BJタイプでは0.45≦B/A≦0.65の範囲を満足するように、また、UJタイプでは0.65≦B/A≦0.85の範囲を満足するように、設定する。BJタイプとUJタイプとで保持器肉厚の最適値範囲が異なるのは、図6に関連して既に述べたとおりUJタイプでは外内輪の案内溝1b,2bが一部ストレート部1c,2cを有しているため、BJタイプに比べて案内溝が継手奥側で浅くなることによる。
上述の数値範囲の意義を図解するならば図7のとおりである。なお、図7における数値はBJタイプに関するものであるが、UJタイプについても同様の傾向が認められる。図中、T100トルクとは、等速自在継手の寿命計算に用いる基本トルクであって、外輪および内輪の案内溝とボールとの接触応力(ヘルツの応力)から決められたトルク値で、100rpmで1500時間寿命が得られるトルクを意味する。図7に示すように、B/A<0.45のとき、言い換えれば、保持器4のポケット4c内におけるボール3のラジアル方向移動量Bに対して保持器肉厚Aが必要以上に大きい場合、保持器4の強度に対しては十分確保できるが、内外輪の案内溝深さ(奥側)が浅くなりすぎ、最大作動角時にはボール3の接触楕円が案内溝から外れ、負荷トルクが極端に低下して継手の機能が損なわれるおそれがある。一方、B/A>0.65のとき、言い換えれば、保持器4のポケット4c内におけるボール3のラジアル方向移動量Bに対して保持器肉厚Aの余裕が少ない場合、内外輪の案内溝深さ(奥側)は十分に確保されるため、最大作動角時においてもボール3の接触楕円が案内溝から外れることはなくなる。しかし、その分、保持器4の肉厚Aが薄くなりすぎて高角時の保持器強度が確保できなくなる。UJタイプの8個ボールジョイントについてもBJタイプと同様の傾向が認められる。ただし、前述のように構造が異なることから、数値範囲は異なる。
以上のように、高角時の保持器強度と高角時の継手耐久性の両重要特性を満足できるようにするには、保持器の最適な肉厚設定が必要で、それが上述の範囲(BJタイプでは0.45≦B/A≦0.65、UJタイプでは0.65≦B/A≦0.85)である。
(a)は本発明の構成を説明するための継手の縦断面図、(b)は保持器の断面図である。 (a)は本発明の実施の形態を示す縦断面図、(b)は横断面図である。 図2(a)の要部拡大図である。 図2(b)の要部拡大図である。 図3の要部拡大図である。 別の実施の形態を示す縦断面図である。 保持器肉厚に対する保持器強度および許容負荷トルクの関係を示す線図である。 (a)は従来の固定式等速自在継手の縦断面図、(b)は横断面図である。
符号の説明
1 外側継手部材(外輪)
1a 内球面
1b 案内溝
1c ストレート部
P 案内溝の中心(外輪トラックセンタ)
βo 外輪トラックオフセット角
2 内側継手部材(内輪)
2a 外球面
2b 案内溝
2c ストレート部
2d 歯型(スプラインまたはセレーション)
Q 案内溝の中心(内輪トラックセンタ)
βi 内輪トラックオフセット角
3 ボ−ル
3 中心
B ラジアル方向移動量
4 保持器
4a 外球面
p 球面中心
4b 内球面
q 球面中心
4c ポケット
A 保持器肉厚
O 継手中心(ジョイントセンタ)
F,f オフセット量
1,C11,C12,C2,C21,C22 接触点
α 接触角
2τ くさび角

Claims (4)

  1. 内球面に軸方向に伸びる8本の曲線状の案内溝を形成した外側継手部材と、
    外球面に軸方向に伸びる8本の曲線状の案内溝を形成した内側継手部材と、
    外側継手部材の案内溝と内側継手部材の案内溝との間に配された8個のボールと、
    外側継手部材と内側継手部材との間に介在してボールを保持する保持器とを備え、
    外側継手部材の案内溝の中心が内球面の球面中心に対して、内側継手部材の案内溝の中心が外球面の球面中心に対して、それぞれ、軸方向に等距離(F)だけ反対側にオフセットさせた固定式等速自在継手であって、
    保持器の肉厚をA、最大作動角時のボールのラジアル方向移動量をBとしたとき、0.45≦B/A≦0.65の関係が成り立つことを特徴とする固定式等速自在継手。
  2. 内球面に軸方向に伸びる8本の曲線状の案内溝を形成した外側継手部材と、
    外球面に軸方向に伸びる8本の曲線状の案内溝を形成した内側継手部材と、
    外側継手部材の案内溝と内側継手部材の案内溝との間に配された8個のボールと、
    外側継手部材と内側継手部材との間に介在してボールを保持する保持器とを備え、
    外側継手部材の案内溝の中心が内球面の球面中心に対して、内側継手部材の案内溝の中心が外球面の球面中心に対して、それぞれ、軸方向に等距離(F)だけ反対側にオフセットさせ、かつ、保持器の外球面と内球面の球面中心を軸方向に等距離(f)だけ反対側にオフセットさせた固定式等速自在継手であって、
    外側継手部材および内側継手部材の各案内溝に、直線状の溝底を有するストレート部を設け、
    保持器の肉厚をA、最大作動角時のボールのラジアル方向移動量をBとしたとき、0.65≦B/A≦0.85の関係が成り立つことを特徴とする固定式等速自在継手。
  3. オフセット量(F)と、外側継手部材の案内溝の中心または内側継手部材の案内溝の中心とボールの中心とを結ぶ線分の長さ(PCR)との比(F/PCR)の値R1が、0.069≦R1≦0.121の範囲内であることを特徴とする請求項1または2の固定式等速自在継手。
  4. 各案内溝とボールとの接触角が29°〜40°であることを特徴とする請求項1または2の固定式等速自在継手。


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