JP2005226781A

JP2005226781A - 等速自在継手

Info

Publication number: JP2005226781A
Application number: JP2004037391A
Authority: JP
Inventors: Minoru Ishijima; 実石島; Kenta Yamazaki; 健太山崎
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2005-08-25
Also published as: CN1918394A

Abstract

【課題】保持器の強度及び耐久性の向上
【解決手段】保持器４のポケット４ａは、該保持器４の軸線方向で対向する一対の軸方向壁面４ａ１と、周方向で対向する一対の周方向壁面４ａ２と、軸方向壁面４ａ１と周方向壁面４ａ２とを繋ぐ隅アール部４ａ３とで構成される。トルク伝達ボール３の直径ｄに対する隅アール部４ａ３の曲率半径Ｒの比（Ｒ／ｄ）を０．４５≦Ｒ／ｄ≦０．６２の範囲内の値にし、また、周方向壁面４ａ２と隅アール部４ａ３とを曲率半径Ｒの一つの円弧で描いている。さらに、軸方向壁面４ａ１については、該保持器４の熱処理（浸炭焼入れ焼戻し）後に、研削又は焼入れ鋼切削等を行って、加工代のバラツキが小さくなるようにしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動軸と従動軸とが角度を取ったときでも、回転トルクを等速で伝達することができる等速自在継手に関する。等速自在継手は、二軸間の角度変位のみを許容する固定型等速自在継手と、二軸間の角度変位及び軸方向変位を許容する摺動型等速自在継手とに大別され、そのうち本発明は前者の固定型等速自在継手を対象とする。

図８は、自動車のドライブシャフト等の連結用継手として従来より使用されている固定型等速自在継手（ツェパー型等速自在継手：ボールフィックスドジョイント）を示している。この等速自在継手は、球面状の内径面１１ａに６本の曲線状のトラック溝１１ｂを軸方向に形成した外方部材１１と、球面状の外径面１２ａに６本の曲線状のトラック溝１２ｂを軸方向に形成し、内径面に歯型（セレーション又はスプライン）を有する嵌合部１２ｃを形成した内側継手部材１２と、外方部材１１のトラック溝１１ｂとこれに対応する内側継手部材１２のトラック溝１２ｂとが協働して形成される６本のボールトラックに配された６個のトルク伝達ボール１３と、トルク伝達ボール１３を保持するポケット１４ｃを備えた保持器１４とで構成される。

外方部材１１のトラック溝１１ｂの中心Ａは内径面１１ａの球面中心に対して、内側継手部材１２のトラック溝１２ｂの中心Ｂは外径面１２ａの球面中心に対して、それぞれ、軸方向に等距離だけ反対側（同図に示す例では中心Ａは継手の開口側、中心Ｂは継手の奥部側）にオフセットされている。そのため、トラック溝１１ｂとこれに対応するトラック溝１２ｂとが協働して形成されるボールトラックは、軸方向の一方（同図に示す例では継手の開口側）に向かって楔状に開いた形状になる。外方部材１１の内径面１１ａの球面中心、内側継手部材１２の外径面１２ａの球面中心は、いずれも、トルク伝達ボール１３の中心を含む継手中心面Ｏ内にある。

外方部材１１と内側継手部材１２とが角度θだけ角度変位すると、保持器１４に案内されたトルク伝達ボール１３は常にどの作動角θにおいても、角度θの２等分面（θ／２）内に維持され、継手の等速性が確保される。

ところで、この種の固定型等速自在継手では、機能上および加工上の要請から外方部材のトラック溝と内方部材のトラック溝に対してボールとの間にすきまが存在し、このトラックすきまは、継手の中立状態で内方部材または外方部材のいずれか一方を固定し、他方を軸方向に移動あるいは円周方向に回転させたときにすきまとなって現出する。

このトラックすきまは、内方部材と外方部材の間の円周方向のガタツキ（回転バックラッシュ）に大きく影響を与える。固定型等速自在継手では、加工公差および組立性の面からトラックすきまが不可欠であることから、回転バックラッシュが大きい。したがって、この継手をそのまま自動車用ステアリング継手に適用すると、車両の直進付近でのステアリング操作感の悪化や、異音の発生原因となることが懸念される。

この問題を解消するための手段として、継手内部に設けた予圧手段により、トラックすきまにより生じる軸方向すきまを詰めることで回転バックラッシュを抑制し得る固定型等速自在継手が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１３００８２

図９は、上述した等速自在継手の保持器１４を示している。保持器１４は、トルク伝達ボール１３を保持する６個の窓形のポケット１４ｃを円周等配位置に備えている。ポケット１４ｃの円周方向両側は柱部１４ｄである。従来、保持器１４のポケット１４ｃは、プレスによる抜き加工の後、軸線方向で対向する一対の軸方向壁面１４ｃ１｛図９（ｂ）参照｝をシェービング（ブローチ）で仕上げ加工していた。この場合、軸方向壁面１４ｃ１の加工により、ポケット１４ｃとトルク伝達ボール１３との軸方向初期隙間を−５０μｍ〜−１０μｍに設定するが、軸方向壁面１４ｃ１の加工代にばらつきがあると、ポケット１４ｃの中心位置が周方向に配列されたポケット１４ｃ間でばらつき、これにより所謂ポケット千鳥状態が発生することにより保持器１４の強度や耐久性に障害となる。そのため、ポケット１４ｃの隅アール部１４ｃ３の曲率半径Ｒを小さくして直線部１４ｃ４を残し、軸方向壁面１４ｃ１と直線部１４ｃ４との間の軸方向寸法δを管理して、所謂ポケット千鳥状態が発生しないようにしている。従って、隅アール部１４ｃ３の曲率半径Ｒを小さくする分、本来機能的に不必要な部分までポケット空間が広がる結果となる。

従って、ポケット空間が機能面から見て広すぎることにより、保持器の柱部に作用する応力が高くなり、また内径面及び外径面の表面積が小さくなり、保持器の強度及び耐久性が十分に確保できないおそれがある。

本発明の目的は、予圧付与手段によりボールトラックにボールが常に接触している等速自在継手において、保持器の機能を損なうことなくポケット構造を最適化し、それによって、保持器の強度及び耐久性、ひいては継手の強度及び耐久性を向上させることにある。

上記課題を解決するため、本発明は、複数のトラック溝が形成された球状内面を備えた外方部材と、複数のトラック溝が形成された球状外面を備えた内方部材と、外方部材のトラック溝と内方部材のトラック溝の協働で形成された楔形のボールトラックに配置したボールと、外方部材の球状内面と内側継手部材の球状外面との間に配置され、ボールを保持する保持器とを備え、かつ、予圧付与手段によりボールトラックにボールが常に接触している固定型等速自在継手において、前記ボールトラックが軸方向の一方に向かって楔状に開いた等速自在継手であって、前記保持器のポケットが隅アール部を有し、前記隅アール部の曲率半径Ｒとトルク伝達ボールの直径ｄとの比（Ｒ／ｄ）がＲ／ｄ≧０．２２である構成を提供する。

比（Ｒ／ｄ）を上記範囲内としたのは次の理由による。図６は、比（Ｒ／ｄ）と保持器の柱部（周方向に隣接するポケット間の間隔部）に作用する最大主応力荷重との関係をＦＥＭ解析によって求めた結果を示している。同図に示す結果から｛（Ｒ／ｄ）−（最大主応力荷重）｝線図がＲ／ｄ＝０．５３７で極小値を取ることが認められ、Ｒ／ｄ＝０．５３７のときに柱部の最大主応力荷重が理論上最も小さくなることが確認された。また、表１に示すように、この解析結果に基づいて、トルク伝達ボールの各サイズごとにＲ／ｄ＝０．５３７を満足するＲ寸法を求めた。さらに、Ｒ寸法の一般公差が±１ｍｍ（一般公差：基準寸法の区分６ｍｍを超えるものについては許容差が±１ｍｍ）であることから、Ｒ寸法の上限値、下限値を求め、それぞれの値に対応するＲ／ｄの上限値、下限値を求めた（Ｒ／ｄの中央値は上限値と下限値の平均値）。その結果、Ｒ／ｄの好ましい範囲として、０．４５≦Ｒ／ｄ≦０．６２が得られた。一方、図９に示す従来の保持器ではＲ／ｄ＝０．２１であり、Ｒ／ｄ≧０．２２であれば最大主応力荷重の低減効果が期待できる。従って、比（Ｒ／ｄ）をＲ／ｄ≧０．２２、好ましくは０．４５≦Ｒ／ｄ≦０．６２の範囲内とした。また、比（Ｒ／ｄ）を上記範囲内にすることにより、保持器の機能（トルク伝達ボールに対する作動性）を損なうことなく、ポケット空間を必要最小限にし、その分、保持器の内径面及び外径面の表面積を増大させることができる。これにより、柱部の最大主応力荷重の低減効果と相俟って、保持器の強度及び耐久性を高めることができる。

また、本発明は、前記保持器のポケットが隅アール部を有し、前記隅アール部の曲率半径Ｒとトルク伝達ボールの直径ｄとの比（Ｒ／ｄ）がＲ／ｄ≧０．２２、好ましくは０．４５≦Ｒ／ｄ≦０．６２である構成を提供する。この発明の等速自在継手は、外方部材および内側継手部材の各トラック溝に直線状の溝底を有するストレート部を備えた等速自在継手に適用することも可能である。その他の事項は上述した発明の等速自在継手と同じである。

本発明の等速自在継手において、トルク伝達ボールの組込みは次のようにして行う。すなわち、外方部材と内方部材とを相対的に角度変位させ、保持器のポケットを外方部材の一方の開口部から外部に臨ませた状態で、トルク伝達ボールを保持器のポケット及びボールトラックに組込む。外方部材と内方部材とが相対的に角度変位すると、保持器のポケットに保持されたトルク伝達ボールは周方向に相対移動するので、トルク伝達ボールの組込み時（この時の外方部材と内方部材との変位角を「ボール組込み角」という。）、既に組込まれたトルク伝達ボールが周方向に相対移動して保持器のポケットの周方向壁面と干渉しないように、保持器のポケットの周方向長さを設定する必要がある。

保持器の６個のポケットを、周方向長さが相互に同じ１種類のポケットで構成することができる。上述のように、比（Ｒ／ｄ）を上記範囲内の値にすることにより、保持器の強度及び耐久性が向上するので、６個のポケットの周方向長さを全て同じ（上記の第２ポケットと同じ長さ）にすることも可能となる。

保持器のポケットの壁面のうち、少なくとも該保持器の軸線方向で対向する一対の軸方向壁面は、該保持器の熱処理後の切削によって形成するのが好ましい。ここでの「切削」には、研削、焼入れ鋼切削等が含まれる。これにより、軸方向壁面の加工代のばらつきが縮小するので、従来のポケット構造において軸方向壁面の加工代を管理するために設けていた直線部をなくし、隅アール部の曲率半径を大きくして、比（Ｒ／ｄ）を上記範囲内の値にすることが可能となる。

本発明によれば、保持器の機能を損なうことなくポケット構造を最適化し、それによって、保持器の強度及び耐久性、ひいては継手の強度及び耐久性を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。

本発明に係る固定型等速自在継手の実施形態を詳述する。以下の実施形態では、ステアリング用固定型等速自在継手の一種であるツェッパ型（ＢＪ）に適用した場合を例示するが、本発明はこれに限定されることなく、アンダーカットフリー型（ＵＪ）にも適用可能である。また、本発明の固定型等速自在継手は、ステアリング用に限らず、ドライブシャフト用あるいはプロペラシャフト用としても使用することが可能である。

まず、固定型等速自在継手が組み込まれるステアリング装置を簡単に説明する。ステアリング装置は、図７（ａ）〜（ｃ）に示すようにステアリングホイール６６の回転運動を、一または複数のステアリングシャフト６２からなるステアリングコラムを介してステアリングギヤ６８に伝達することにより、タイロッド６９の往復運動に変換するようにしたものである。車載スペース等との兼ね合いでステアリングシャフト６２を一直線に配置できない場合は、ステアリングシャフト６２間に一または複数の軸継手６１を配置し、ステアリングシャフト６２を屈曲させた状態でもステアリングギヤ６８に正確な回転運動を伝達できるようにしている。この軸継手６１に本発明に係る固定型等速自在継手を使用する。図７（ｂ）における符号αは継手の折り曲げ角度を表しており、折り曲げ角度αが３０°を越える大角度も設定可能である。

図１は、本発明の固定型等速自在継手を示している。この実施形態の等速自在継手は、球面状の内径面１ｂに６本の曲線状のトラック溝１ａを軸方向に形成した外方部材１と、球面状の外径面２ｂに６本の曲線状のトラック溝２ａを軸方向に形成し、内径面に歯型（セレーション又はスプライン）を有する嵌合部２ｄを形成した内側継手部材２と、外方部材１のトラック溝１ａとこれに対応する内側継手部材２のトラック溝２ａとが協働して形成される６本のボールトラックに配された６個のトルク伝達ボール３と、トルク伝達ボール３を保持する保持器４とで構成される。内側継手部材２の嵌合部２ｄには、連結軸５のドライブシャフトの軸端部が歯型嵌合（セレーション嵌合又はスプライン嵌合）される。内側継手部材２連結軸５とで内方部材６を構成する。

外方部材１のトラック溝１ａの中心Ｏ₁は内径面１ｂの球面中心に対して、内側継手部材２のトラック溝２ａの中心Ｏ₂は外径面２ｂ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（同図に示す例では、中心Ｏ₁は継手の開口側、中心Ｏ₂は継手の奥部側）にオフセットされている。そのため、トラック溝１ａとこれに対応するトラック溝２ａとが協働して形成されるボールトラックは、軸方向の一方（同図に示す例では継手の開口側）に向かって楔状に開いた形状になる。

保持器４の外径面４ｂの球面中心、および、保持器４の外径面４ｂの案内面となる外方部材１の内径面１ｂの球面中心は、いずれも、トルク伝達ボール３の中心Ｏ₃を含む継手中心面Ｏ内にある。また、保持器４の内径面４ｃの球面中心、および、保持器４の内径面４ｃの案内面となる内側継手部材２の外径面２ｂの球面中心は、いずれも、継手中心面Ｏ内にある。従って、トラック溝１ａの中心Ｏ₁のオフセット量Ｆは、中心Ｏ₁と継手中心面Ｏとの間の軸方向距離、トラック溝２ａの中心Ｏ₂のオフセット量Ｆは、中心Ｏ₂と継手中心面Ｏとの間の軸方向距離になり、両者は等しい。

１
この固定型等速自在継手では、図１に示すように、ヨーク４０を介してステアリングシャフトに連結される連結軸５の軸端に、プランジャユニット５０を取り付けている。このプランジャユニット５０は、先端に押圧部５２を有する押圧部材としてのボール５３、弾性部材としての圧縮コイルばね５４、ボール５３と圧縮コイルばね５４を収容する収容部材としてのケース５５からなるアッセンブリ体である。この圧縮コイルばね５４は、ボール５３を外方部材１の奥部側（ボール突出方向）へ押圧する弾性力の発生源としている。

前述のプランジャユニット５０を連結軸５に取り付ける構造は次のとおりである。

プランジャユニット５０は、図２に示すように、そのケース５５を連結軸５の軸端に形成された凹陥部５ａに圧入または接着することにより固定される。このケース５５の固定が完了すると、ケース５５のフランジ５５ｂが連結軸５の軸端面５ｂに係合することにより、この軸端面５ｂを基準としてプランジャユニット５０が位置決めされる。つまり、連結軸５の凹陥部５ａの加工公差によりその深さにバラツキがあっても、その凹陥部５ａの深さをプランジャユニット５０のケース５５の軸方向長さよりも大きくしてフランジ５５ｂが連結軸５の軸端面５ｂに係合しているため、プランジャユニット５０の位置決めが可能となる。

プランジャユニット５０のケース５５は有底筒状をなし、その開口端縁部に内径側へ突出する係止部５５ａを設けることにより、その係止部５５ａの内径φｄがボール５３の外径φＤよりも小さくなってボール５３の抜脱を防止できる。これにより、ボール５３、圧縮コイルばね５４およびケース５５をユニット化したアッセンブリ体となっている。ここで、ボール５３の抜脱を防止するための係止部を設ける手段としては、ケース５５の開口端縁部をその全周に亘って内径側へ加締めることにより係止部５５ａを形成する他に、種々の構造が適用可能である。

図２、図３に示すように、保持器４の外方部材１の奥側端部には受け部材５６を取り付けている。この受け部材５６は、保持器４の端部開口を覆う蓋状をなし、部分球面状の球面部５６ａとその外周に環状に形成された取付け部５６ｂとで構成される。球面部５６ａの内面（連結軸５と対向する面）は凹球面で、この凹球面は押圧部５２からの押圧力を受ける受け部５８として機能する。取付け部５６ｂは、保持器４の端部に圧入、溶接等の適宜の手段で固定されている。

この等速自在継手の連結軸５が作動角をとった際に、プランジャユニット５０の押圧部５２と受け部材５６の受け部５８間をスムーズに摺動させるため、図３に示すように凹球面状の受け部５８の内径寸法Ｒｏは、押圧部５２を有するボール５３の外径寸法φＤ／２（図２参照）よりも大きくする（Ｒｏ＞φＤ／２）。また、作動角θをとった際の受け部材５６と内側継手部材２との干渉を防止するため、受け部５８の内径寸法Ｒｏは、保持器４の球状内面の内径寸法Ｒｉよりも大きくする（Ｒｏ＞Ｒｉ）。

以上の構成において、連結軸５のセレーション軸部と内側継手部材２をスプライン結合し、止め輪５９を装着して両者が完全に結合されると（図２および図３参照）、プランジャユニット５０の押圧部５２と受け部材５６の受け部５８とが互いに当接し、ボール５３が退入して圧縮コイルばね５４が圧縮される。ここで、前述したようにプランジャユニット５０は連結軸５の軸端面５ｂを基準として位置決めされているので、押圧部５２の取り付け状態を安定化させてその押圧部５２と受け部５８の当接状態を常に一定にすることができ、押圧部５２からの押圧力を受け部５８に確実に作用させることができる。

図４は保持器４を示している。保持器４は、トルク伝達ボール３を収容保持する６個の窓形のポケット４ａと、円周方向に隣接したポケット４ａ間の柱部４ｄとを備えている。この実施形態において、各ポケット４ａの周方向長さは全て同一である。また、継手の運転初期時におけるポケット４ａの軸方向寸法Ｌとトルク伝達ボール３の直径ｄとの差（＝Ｌ−ｄ）、すなわち両者の間の軸方向初期隙間は０〜＋５０μｍ、好ましくは０〜＋３０μｍの範囲内に管理されている。保持器４は、例えば浸炭用鋼で形成され、その表層部に浸炭焼入れ焼戻しによる浸炭層を備えている。浸炭用鋼としては、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブンデン鋼等を用いることができる。

図５に拡大して示すように、保持器４のポケット４ａは、該保持器４の軸線方向で対向する一対の軸方向壁面４ａ１と、周方向で対向する一対の周方向壁面４ａ２と、軸方向壁面４ａ１と周方向壁面４ａ２とを繋ぐ隅アール部４ａ３とで構成される。この実施形態では、トルク伝達ボール３の直径ｄに対する隅アール部４ａ３の曲率半径Ｒの比（Ｒ／ｄ）を０．４５≦Ｒ／ｄ≦０．６２の範囲内の値、また、周方向壁面４ａ２と隅アール部４ａ３とを曲率半径Ｒの一つの円弧で描いている。さらに、軸方向壁面４ａ１については、該保持器４の熱処理（浸炭焼入れ焼戻し）後に、研削又は焼入れ鋼切削等を行って、加工代のバラツキが小さくなるようにしている（周方向壁面４ａ２と隅アール部４ａ３はプレスによる抜き加工のまま残している）。

本発明をステアリング用等速自在継手に適用した場合の継手縦断面図である。プランジャユニット部分の断面図である。プランジャユニット部分の拡大断面図である。保持器の横断面図｛図４（ａ）｝、縦断面図｛図４（ｂ）｝である。保持器のポケット周辺部を示す拡大平面図である。比（Ｒ／ｄ）と柱部の最大主応力荷重との関係を示す図である。（Ａ）はステアリング装置の平面図、（Ｂ）はステアリング装置の側面図、（Ｃ）はステアリング装置の斜視図である。従来の等速自在継手を示す縦断面図｛図８（ａ）｝、｛図８（ｂ）｝である。従来継手における保持器の縦断面図｛図９（ａ）｝、ポケット周辺部を示す拡大平面図｛図９（ｂ）｝である。

符号の説明

１外方部材
１ａトラック溝
１ｂ内径面
２内側継手部材（内方部材）
２ａトラック溝
２ｂ外径面
２ｄ嵌合部
３トルク伝達ボール
４保持器
４ａポケット
４ｂ外径面
４ｃ内径面
４ｄ柱部
４ａ１軸方向壁面
４ａ２周方向壁面
４ａ３隅アール部
５連結軸（内方部材）
５ａ凹陥部
５ｂ軸端面
１１外方部材
１１ａ内径面
１１ｂトラック溝
１２内側継手部材
１２ａ外径面
１２ｂトラック溝
１２ｃ嵌合部
１３トルク伝達ボール
１４保持器
１４ｃポケット
１４ｄ柱部
１４ｃ１軸方向壁面
１４ｃ３隅アール部
１４ｃ４直線部
４０ヨーク
５０プランジャユニット
５２押圧部
５３ボール
５５ケース
５５ａ係止部
５５ｂフランジ
５６受け部材
５６ａ球面部
５６ｂ取付け部
５８受け部部
５９止め輪
６１軸継手
６２ステアリングシャフト
６６ステアリングホイール
６８ステアリングギヤ
６９タイロッド

Claims

複数のトラック溝が形成された球状内面を備えた外方部材と、複数のトラック溝が形成された球状外面を備えた内方部材と、外方部材のトラック溝と内方部材のトラック溝の協働で形成された楔形のボールトラックに配置したボールと、外方部材の球状内面と内方部材の球状外面との間に配置され、ボールを保持する保持器とを備え、かつ、予圧付与手段によりボールトラックにボールが常に接触している等速自在継手において、
前記ボールトラックが軸方向の一方に向かって楔状に開いた等速自在継手であって、前記保持器のポケットが隅アール部を有し、前記隅アール部の曲率半径Ｒとトルク伝達ボールの直径ｄとの比（Ｒ／ｄ）がＲ／ｄ≧０．２２であることを特徴とする等速自在継手。
前記隅アール部の曲率半径Ｒとトルク伝達ボールの直径ｄとの比（Ｒ／ｄ）が０．４５≦Ｒ／ｄ≦０．６２であることを特徴とする請求項１記載の等速自在継手。
複数のトラック溝に対応した複数のポケットの窓周方向長さが全て同等である、請求項１または２記載のステアリング用等速自在継手。