JP2006312953A - 固定式等速自在継手 - Google Patents

Abstract

【課題】固定式等速自在継手において、回転トルク入力のない場合の折り曲げ作動時に発生する作動不良（十字作動不良）を低減させ、作動しやすくする。
【解決手段】外側継手部材10のボール溝13の中心Ｏ₁と、内側継手部材20のボール溝24の中心Ｏ₂を、継手中心Ｏから軸方向に互いに反対側にオフセットさせ、かつ、ブーツ50の自然状態における全長Ｌ₁を取り付け後の全長Ｌ₂よりも短くしておく。
【選択図】 図１

Description

この発明は固定式等速自在継手に関する。等速自在継手は、自動車や各種産業機械の動力伝達系において、駆動側の回転軸と従動側の回転軸を連結して等角速度でトルクを伝達するもので、固定式と摺動式があり、摺動式が角度変位と軸方向変位を許容するのに対して固定式は角度変位のみを許容するタイプである。

一般に、固定式等速自在継手は、駆動側または従動側の軸とトルク伝達可能に結合する外側継手部材と、従動側または駆動側の軸とトルク伝達可能に結合する内側継手部材と、外側継手部材と内側継手部材との間に介在してトルクを伝達する複数のトルク伝達要素と、複数のトルク伝達要素を駆動軸と従動軸とがなす角度の二等分面内に保持するケージとを備えている。

等速自在継手は、内部に封入したグリースの漏れ出しを防止し、また、外部からの異物の混入を防止するため、ブーツを被せた状態で使用する。ブーツは、外側継手部材のブーツ取付部と、内側継手部材と結合したシャフトのブーツ取付部とに、それぞれブーツバンドで締め付けて固定される。等速自在継手用ブーツとしては、クロロプレンゴム（ＣＲ）等のゴム材料からなるゴムブーツと、樹脂材料からなる樹脂ブーツが一般的であるが、近時では、耐回転膨張性や耐久性等の面から、樹脂ブーツが多く使用される傾向にある。

一般に、等速自在継手のうち、高作動角をとり軸方向にスライドしない固定式等速自在継手に適するブーツは、継手折り曲げによるブーツ蛇腹部の噛み込みや擦れ等の問題を解決するために、ブーツの軸方向自然長に比べ、取付け時のブーツ軸方向長さを小さくし、圧縮した状態で使用する（特許文献１参照）。
特開平１１−１６６６２４号公報

圧縮して取り付けたブーツの復元力により、等速自在継手に回転方向のトルクが負荷されていない状態では、内側継手部材が外側継手部材の開口端側に引張られる（図１の矢印「外輪マウス開口側方向」参照）。その結果、内側継手部材のトラックオフセットのみ小さくなり、固定式等速自在継手の作動性が悪化する。入力トルクがない場合に固定式等速自在継手を折り曲げようとする操作は、横断面（図３参照）で見ると外側継手部材に対して内側継手部材を十字方向に動かす操作となることから十字作動と呼ぶこととする。

一方、固定式等速自在継手は、作動・組立・発熱の問題を考慮して、各部品間にすきまを設定して成立している。そして、これらの各種すきまの存在により、内側継手部材が軸方向にある程度動くことが可能となっている。ところが、トルク入力がない場合には、ブーツの復元力により内側継手部材が引張られて軸方向のすきまが詰まる。その結果、内側継手部材のオフセット量が減少し、内側継手部材のオフセット量と外側継手部材のオフセット量がアンバランスとなり、十字方向に折り曲げるときの作動不良を発生させることがある。

上述の作動不良について、図６ないし図１１を参照してより詳しく述べるならば次のとおりである。従来の固定式等速自在継手において、樹脂製ブーツ５０によって発生する軸方向の引張り力は、ボール３０を介して向かい合う外・内輪１０，２０のボール溝１４，２４とボール３０との接触位置を理想の状態から外れさせてしまう。図６および図７は樹脂製ブーツ５０により内輪２０が軸方向に引張られていない理想状態を、図８および図９は樹脂製ブーツ５０により内輪２０が軸方向に引張られている状態を示す。図６と図８を対比すれば、樹脂製ブーツ５０により内輪２０が軸方向に引張られることで、外・内輪１０，２０でボール３０を挟んでいる挟み角γが変化し、γ₁＜γ₂となることがわかる。

挟み角γはケージ４０を動かす力Ｍを発生させるが、挟み角の変化（γ₁＜γ₂）に伴って、この力もＭ₁＞Ｍ₂となる。一方で、ボール３０と外・内輪１０，２０のボール溝１４，２４とのすきま（ＰＣＤすきま）は軸方向の引張りにより減少して、２×（Ｇ₁＋Ｇ₂）＞２×（Ｇ₁´＋Ｇ₂´）となっている。なお、ＰＣＤすきまＧ₁，Ｇ₂，Ｇ₁´，Ｇ₂´は、図７および図９に、本来設定している接触角方向のすきまの垂直成分のみ表示してある。

この状態でトルクを負荷することなく等速自在継手を折り曲げた場合、図１０に示すように、内輪２０／ケージ４０間すきまが確保されている状態では内輪２０のみが先行して角度βをとり、ボール３０と内輪２０が接触してＰＣＤすきまがなくなった状態では、挟み角γによって発生する力Ｍによりケージ４０を動かして、ケージ４０とボール３０が本来の作動角θの二等分面Ｐ上に制御される（図１１）。

挟み角γは樹脂製ブーツ５０による軸方向の引張りによってγ₁＜γ₂となり、ケージ４０を動かす力Ｍも小さくなる（Ｍ₁＞Ｍ₂）。

また、ＰＣＤすきまは２×（Ｇ₁＋Ｇ₂）＞２×（Ｇ₁´＋Ｇ₂´）になっているため、樹脂製ブーツ５０による軸方向の引張り力がある状態では、作動初期段階でＰＣＤすきまが詰まり、かつ、その時のケージ４０を動かす力Ｍが小さいため、場合によってはケージ４０を動かすことができなくなり、この時に十字作動不良が発生する。

この発明の主要な目的は、固定式等速自在継手において、トルク入力のない場合の折り曲げ作動時に発生することのある作動不良、とくに十字作動不良を低減させ、作動しやすくすることにある。

この発明は、従来圧縮した状態で取り付けていた固定式等速自在継手用のブーツを引張り状態にして取り付けることで、内側継手部材のトラックオフセットが小さくなることを防止し、作動性を確保するようにしたものである。

すなわち、この発明の固定式等速自在継手は、第一の回転軸とトルク伝達可能に結合し、内球面に軸方向に延びた複数のボール溝を円周方向等間隔に形成した外側継手部材と、第二の回転軸とトルク伝達可能に結合し、外球面に軸方向に延びた複数のボール溝を円周方向等間隔に形成した内側継手部材と、対をなす外側継手部材のボール溝と内側継手部材のボール溝との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、外側継手部材の内球面と内側継手部材の外球面との間に介在し、ボールを収容するポケットを円周方向に配設したケージと、大径取付部を外側継手部材に取り付け、小径取付部を第二の回転軸に取り付けた、継手の内部空間を密封するブーツとを備え、外側継手部材のボール溝の中心と、内側継手部材のボール溝の中心を、継手中心から軸方向に互いに反対側にオフセットさせ、かつ、ブーツの自然状態における全長を取り付け後の全長よりも短くしたことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の固定式等速自在継手において、ブーツが樹脂製であることを特徴とするものである。より詳しくは、熱可塑性ポリエステル系エラストマーを例として挙げることができる。

請求項３の発明は、請求項１または２の固定式等速自在継手において、外側継手部材のボール溝および内側継手部材のボール溝が、溝底が直線状をしたストレート部を有することを特徴とするものである。つまり、この発明は高角化を図ったアンダーカットフリージョイント（ＵＪ）にも適用することができる。

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、前記ストレート部がテーパ形状であることを特徴とするものである。つまり、この発明は、ＵＪのストレート部をテーパ形状とすることによってさらに高角をとり得るようにした高角固定式等速自在継手に適用することができる。

この発明は、６個のボールを用いる固定式等速自在継手（請求項５）、あるいは、８個のボールを用いる固定式等速自在継手（請求項６）のいずれにも適用することができる。

この発明によれば、固定式等速自在継手の十字作動不良が低減し、円滑に作動させやすくなる。すなわち、固定式等速自在継手に取り付けるブーツを、自然状態における全長を取り付け後の全長よりも短くすることにより、取り付け後のブーツが弾性復元しようとする力は、外側継手部材のマウス部奥側に向かって内側継手部材を押す方向に作用する。これは、内側継手部材のオフセット量を減少させる方向ではないため、固定式等速自在継手の良好な作動性を保つことができる。

なお、ブーツを引張った状態で取り付けるため、既述の噛み込みや擦れといった不具合が懸念されるが、噛み込みについては固定式等速自在継手の大径部の取り付け形状の最適設計により改良でき、ブーツの擦れについては蛇腹部形状の最適化やブーツ材料の開発（軟質化）により解決できる。

以下、図面に従って本発明の実施の形態を説明する。

図１に示す固定式等速自在継手は、外輪１０と、内輪２０と、ボール３０と、ケージ４０と、ブーツ５０を主要な構成要素としている。この固定式等速自在継手によって連結すべき二軸を第一の回転軸と第二の回転軸と呼ぶならば、第一の回転軸を外輪１０と結合し、第二の回転軸２８を内輪２０と結合して、両者が角度をなした状態でも等速でトルクを伝達するようになっている。なお、図２に図１の要部を拡大して示し、図３に図１の継手の横断面を示す。また、図４に、継手を折り曲げて第一の回転軸Ｘと第二の回転軸Ｙとが作動角θをとった状態を示し、図１には両者が同軸で作動角θが０の状態を示してある。

外側継手部材としての外輪１０はマウス部１６とステム部１８とからなり、ステム部１８にて図示しないハブ輪その他の第一の回転軸とトルク伝達可能に結合する。マウス部１６は一端にて開口したベル型で、その凹球面状内周面（以下、内球面という。）１２に、軸方向に延びた複数のボール溝１４が円周方向等間隔に形成してある。ボール溝１４はマウス部１６の開口端１５まで延びている。

内側継手部材としての内輪２０は、凸球面状外周面（以下、外球面という。）２２を有し、その外球面２２には軸方向に延びた複数のボール溝２４が円周方向等間隔に形成してある。ボール溝２４は内輪２０の軸方向に切り通してある。内輪２０はシャフト２８とトルク伝達可能に結合するためのスプライン（またはセレーション）孔２６を有している。

外輪１０のボール溝１４と内輪２０のボール溝２４とは対をなし、各対のボール溝１４，２４で構成されるトラックに１個ずつ、トルク伝達要素としてのボール３０が転動可能に組み込んである。ボール３０は外輪１０のボール溝１４と内輪２０のボール溝２４との間に介在してトルクを伝達する。各ボール３０はケージ４０の円周方向に配設したポケット４６内に収容されている。ボール３０の数、したがってまたボール溝１４，２４の数は任意であるが、例を挙げるならば６あるいは８である。図３は８個の場合を例示したものである。

ケージ４０は外輪１０と内輪２０との間に摺動可能に介在し、外球面４２にて外輪１０の内球面１２と接し、内球面４４にて内輪２０の外球面２２と接する。図２では、外輪１０の内球面１２とケージ４０の外球面４２との間、内輪２０の外球面２２とケージ４０の内球面４４との間のすきまが誇張して示してある。

また、ボール３０と、対をなす外輪１０のボール溝１４と内輪２０のボール溝２４で形成されるトラックとの間に、ＰＣＤすきまに起因するすきまが存在する。ＰＣＤすきまとは、外輪１０のボール溝１４のピッチ円径と内輪２０のボール溝２４のピッチ円径との差をいう。図２に、ボール３０の中心Ｏ₃から外輪１０のボール溝１４の中心（外輪トラックセンタ）Ｏ₁までの距離を符号ＰＣＲ₁で、ボール３０の中心Ｏ₃から内輪２０のボール溝２４の中心（内輪トラックセンタ）Ｏ₂までの距離を符号ＰＣＲ₂で表してある。

外輪トラックセンタＯ₁と内輪トラックセンタＯ₂は、継手中心Ｏに対して軸方向に逆向きにオフセットさせてある。図２中、符号Ｆ₁は外輪オフセット、符号Ｆ₂は内輪オフセット を表している。その結果、対をなす外輪１０のボール溝１４と内輪２０のボール溝２４とで構成されるトラックは、外輪１０のマウス部１６の奥側から開口端１５側に向かって徐々に拡大する楔状を呈している。そして、継手が作動角θをとった状態でトルクを伝達するとき、楔状のトラックの狭い方から広い方へボール３０を押し出そうとする推力（Ｍ）が作用する。

この実施の形態では、図２に示すように、外輪１０のボール溝１４は円弧部分１４ａと直線部分１４ｂとからなり、円弧部分１４ａはマウス部１６の奥側つまり反開口端側に位置し、直線部分１４ｂは開口端１５側に位置する。さらに、直線部分１４ｂはマウス部１６の奥側から開口端１５側に向かって拡径したテーパ形状とすることもできる。

同様に、内輪２０のボール溝２４は円弧部分１４ａと直線部分２４ｂとからなり、円弧部分２４ａは外輪１０のマウス部１６の開口端１５側に位置し、直線部分２４ｂは反開口端側に位置する。ここでも、直線部分２４ｂはマウス部１６の開口端１５側から奥側に向かって拡径したテーパ形状とすることもできる。

図４に示すように、第一の回転軸Ｘと第二の回転軸Ｙが０°以外のある作動角θをとったとき、両回転軸Ｘ，Ｙのなす角度θの二等分線に垂直な平面すなわち継手中心面Ｐ内にすべてのボール３０があれば、ボール中心から両回転軸Ｘ，Ｙまでの距離が相等しく、したがって、両回転軸Ｘ，Ｙ間で等角速度で回転運動の伝達が行われる。継手中心面Ｐと回転軸Ｘ，Ｙとの交点を継手中心Ｏと称する。固定式等速自在継手では、作動角θに関わりなく継手中心Ｏは固定されている。

外輪１０の開口端１５を覆って内部に封入したグリースの漏れを防止し、また、外部からの異物の侵入を防止するため、樹脂製ブーツ５０が装着してある。樹脂製ブーツ５０は熱可塑性ポリエステル系エラストマーから一体成型してあり、大径取付部５２と蛇腹部５４と小径取付部５６とからなる。大径取付部５２は外輪１０の開口端１５付近に被せてブーツバンド５８で締め付けてある。小径取付部５６は第二の回転軸２８に嵌めてブーツバンド５８で締め付けてある。

樹脂製ブーツ５０の大径取付部５２の端面から小径取付部５６の端面までの軸方向寸法は、図５に示す固定式等速自在継手に取り付ける前の自然状態ではＬ₁であるのに対し、図１に示す固定式等速自在継手に取り付けた状態ではＬ₂であり、両者はＬ₁＜Ｌ₂の関係にある。すなわち、樹脂製ブーツ５０の自然状態における全長Ｌ₁を、取り付けた状態における全長Ｌ₂よりも短くしておく。そして、固定式等速自在継手に取り付ける際には、樹脂製ブーツ５０を引張った状態で取り付ける。その結果、図２に示すように、内輪オフセットが大きくなる（Ｆ₁＜Ｆ₂）。これは、既述のとおり、固定式等速自在継手の折り曲げによるブーツ蛇腹部の噛み込みや擦れ等の問題を回避するため、実際のブーツ取付け寸法（Ｌ₂）より長い寸法（Ｌ₁）で成型し、軸方向に圧縮して固定式等速自在継手に取り付けるようにしていたのとは逆の関係である。

図１２は、図６のものにさらにケージオフセットを設けた実施の形態を示す。ここでは、ケージ４０の外球面中心と内球面中心が継手中心Ｏから軸方向に互いに逆向きに等距離だけオフセットさせてある。この場合、ケージ４０の外球面中心は外輪１０の内球面中心と一致し、ケージ４０の内球面中心は内輪２０の外球面中心と一致している。したがって、外輪１０のトラックオフセットは外輪１０の内球面中心（ケージ４０の外球面中心）から外輪トラックセンタＯ₁までとなり、内輪２０のトラックオフセットは内輪２０の外球面中心（ケージ４０の内球面中心）から内輪トラックセンタＯ₂までとなる。そして、継手中心Ｏから外輪トラックセンタＯ₁までが外輪オフセットＦ₁、継手中心Ｏから内輪トラックセンタＯ₂までが内輪オフセットＦ₂となる。

この発明の実施の形態を示す固定式等速自在継手の縦断面図である。 図１の要部拡大図である。 図１の継手の横断面図である。 図１の継手を折り曲げた状態の縦断面図である。 図１における樹脂製ブーツの自然状態の縦断面図である。 理想状態（Ｆ₁＝Ｆ₂）を示す図２と類似の要部拡大図である。 図６の要部拡大図である。 従来の技術（Ｆ₁＞Ｆ₂´）を示す図２と類似の要部拡大図である。 図８の要部拡大図である。 内輪のみ先行して角度をとった状態の図１の継手の縦断面図である。 角度付与時の理想状態を示す図１の継手の縦断面図である。 ケージオフセットを設けた場合の図６と類似の断面図である。

符号の説明

１０ 外輪
１２ 内球面
１４ ボール溝
１５ 開口端
１６ マウス部
１８ ステム部
２０ 内輪
２２ 外球面
２４ ボール溝
２６ スプライン（またはセレーション）孔
２８ 第二の回転軸
３０ ボール
４０ ケージ
４２ 外球面
４４ 内球面
４６ ポケット

Claims (6)

1. 第一の回転軸とトルク伝達可能に結合し、内球面に軸方向に延びた複数のボール溝を円周方向等間隔に形成した外側継手部材と、
   第二の回転軸とトルク伝達可能に結合し、外球面に軸方向に延びた複数のボール溝を円周方向等間隔に形成した内側継手部材と、
   対をなす外側継手部材のボール溝と内側継手部材のボール溝との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、
   外側継手部材の内球面と内側継手部材の外球面との間に介在し、ボールを収容するポケットを円周方向に配設したケージと、
   大径取付部を外側継手部材に取り付け、小径取付部を第二の回転軸に取り付けた、継手の内部空間を密封するブーツとを備え、
   外側継手部材のボール溝の中心と、内側継手部材のボール溝の中心を、継手中心から軸方向に互いに反対側にオフセットさせ、かつ、ブーツの自然状態における全長を取り付け後の全長よりも短くしたことを特徴とする固定式等速自在継手。
2. ブーツが樹脂製であることを特徴とする請求項１の固定式等速自在継手。
3. 外側継手部材のボール溝および内側継手部材のボール溝が、溝底が直線状をしたストレート部を有す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. 前記ストレート部がテーパ形状であることを特徴とする請求項３の固定式等速自在継手。
5. ６個のボールを用いる請求項１ないし４のいずれかの固定式等速自在継手。
6. ８個のボールを用いる請求項１ないし４のいずれかの固定式等速自在継手。
   
   

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