JP2007016899A - 固定型等速自在継手 - Google Patents

Abstract

【課題】 ケージと外側継手部材が擦れ合うことによる発熱でもって耐久性の低下や伝達トルクの損失を招くことなく、作動角の高角化を容易に実現する。
【解決手段】 内球面２１に複数のトラック溝２２を形成した外輪２５と、外球面２６に複数のトラック溝２７を形成した内輪２８と、外輪２５と内輪２８間に介在してトルクを伝達する複数のボール２９と、外輪２５と内輪２８間に介在してボール２９を保持するケージ３０とを備え、外輪２５のトラック溝２２の開口側溝底をテーパ状にすると共に内輪２８のトラック溝２７の奥側溝底をテーパ状とし、ケージ３０の外球面中心と内球面中心および外輪２５と内輪２８のトラック溝２２，２７の曲率中心は継手中心に対して軸方向に等距離だけ反対側にオフセットされ、ケージ３０の外球面３２の開口側端部を軸方向に向けて延在させ、ケージ３０の内球面３１の開口側端部に外球面３２の開口側端部に向けて拡径するテーパ面３４を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は固定型等速自在継手に関し、詳しくは、自動車や各種産業機械の動力伝達系において使用されるもので、駆動側と従動側の二軸間で作動角度変位のみを許容する固定型の等速自在継手に関する。

近年、自動車の乗車空間拡大の観点からホイールベースを長くすることがあるが、それに伴って車両回転半径が大きくならないようにするため、自動車のドライブシャフト等の連結用継手として使用されている固定型等速自在継手の高角化による前輪の操舵角の増大が求められている。

一般的に、固定型等速自在継手は、図１５に示すように内球面１に複数のトラック溝２を円周方向等間隔に軸方向に沿って開口端３に向けて形成した外側継手部材５と、外球面６に外側継手部材５のトラック溝２と対をなす複数のトラック溝７を円周方向等間隔に軸方向に沿って形成した内側継手部材８と、外側継手部材５のトラック溝２と内側継手部材８のトラック溝７との間に介在してトルクを伝達する複数のボール９と、外側継手部材５の内球面１と内側継手部材８の外球面６との間に介在してボール９を保持するケージ１０とを備えている。

前述した高角化のニーズに対する固定型等速自在継手としては、外側継手部材５のトラック溝２の開口側溝底を、その外側継手部材５の開口端３に向けて直線的に拡径したテーパ状にすると共に、内側継手部材８のトラック溝７の奥側溝底を、その内側継手部材８の奥端に向けて直線的に拡径したテーパ状とすることにより、高角域の作動を実現している（例えば、特許文献１〜３参照）。
特開２００１−１５３１４９号公報 特開２００１−３０４２８２号公報 特開２００１−３４９３３２号公報

ところで、前述した各特許文献１〜３に開示された固定型等速自在継手では、外側継手部材５および内側継手部材８の両トラック溝２，７をテーパ形状にすることで作動角の高角化を容易にしている。図１６は、この固定型等速自在継手が最大作動角θをとった状態、つまり、外側継手部材５の回転軸Ｘと内側継手部材８の回転軸Ｙが最大作動角θをとった状態を示す。

しかしながら、固定型等速自在継手が高角域に入っていくにしたがって、図１６に示すようにボール９がケージ１０をその開口側に押す力ｍが大きくなる。特に、ボール９が最も奥側に位置する位相（位相角φ＝１８０°）付近の力が大きい。これにより、ケージ１０の外球面１２の開口側端部は外側継手部材５の内球面１と激しく擦れ合うことになる（図中のＡ部分）。この時、ケージ１０と外側継手部材５間の接触面積が小さいと、発熱量が大きくなり、耐久性の低下、ひいては伝達トルクの損失を招くという問題がある。

そこで、本発明は前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、ケージと外側継手部材が擦れ合うことによる発熱でもって耐久性の低下や伝達トルクの損失を招くことなく、作動角の高角化を容易に実現し得る固定型等速自在継手を提供することにある。

前記目的を達成するための技術的手段として、本発明は、内球面に複数のトラック溝を円周方向等間隔に軸方向に沿って開口端に向けて形成した外側継手部材と、外球面に前記外側継手部材のトラック溝と対をなす複数のトラック溝を円周方向等間隔に軸方向に沿って形成した内側継手部材と、前記外側継手部材と内側継手部材の両トラック溝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てボールを保持するケージとを備え、前記外側継手部材のトラック溝の開口側溝底を、前記開口端に向けて直線的に拡径したテーパ状にすると共に、前記内側継手部材のトラック溝の奥側溝底を、その奥端に向けて直線的に拡径したテーパ状とし、前記ケージの外球面中心と内球面中心は継手中心に対して軸方向に等距離だけ反対側にオフセットされ、かつ、外側継手部材のトラック溝の曲率中心と内側継手部材のトラック溝の曲率中心は継手中心に対してケージオフセット量だけオフセットされた固定型等速自在継手において、前記ケージの外球面の開口側端部を軸方向に向けて延在させ、ケージの内球面の開口側端部を外球面の開口側端部に向けて拡径するテーパ状としたことを特徴とする。

本発明では、ケージの外球面の開口側端部を軸方向に向けて延在させる。この場合、等速自在継手が最大作動角をとった状態、つまり、外側継手部材の回転軸と内側継手部材の回転軸とが最大角度をとった状態で、内側継手部材に取り付けられたシャフトがケージの開口側端部と干渉しない程度にその外球面の開口側端部を延在させる。

シャフトがケージの開口側端部と干渉しない程度までケージの外球面の開口側端部を延在させる場合、ケージの内球面の開口側端部のテーパ角度を、外側継手部材と内側継手部材がなす最大作動角の半分以上とすることが望ましい。このようにテーパ角度を最大作動角の半分以上とすれば、高角域においてもケージの外球面と外側継手部材の内球面との接触面積を確保することができる点で好ましい。なお、このテーパ角度が最大作動角の半分よりも小さければ、シャフトがケージのテーパ状開口側端部と干渉することになる。

このように高角域においてもケージの外球面と外側継手部材の内球面との接触面積を確保することができることにより、最大作動角をとった時に、ボールがケージを開口側へ押し、そのケージの外球面の開口側端部と外側継手部材の内球面が強く擦れ合っても発熱による耐久性の低下や伝達トルクの損失を最小限に抑えることができる。また、ケージの剛性を最大限に確保することができるので、ケージ自体の強度も向上する。

一方、この等速自在継手に許容レベルを超えるトルクが動的捩りモードで負荷されると、外側継手部材および内側継手部材のトラック溝が変形し、そのトラック溝エッジが盛り上がる。この盛り上がりがケージ球面に干渉し、ケージの動きを拘束する。その際、ケージの円周方向に沿って形成され、かつ、ボールを収容するポケットのエッジ部に割れや欠け等が発生する可能性がある。

そこで、本発明では、前述の構成におけるポケットのケージ内球面側あるいはケージ外球面側の少なくともいずれか一方のエッジ部を球面Ｒ形状とすることが望ましい。主に内側継手部材のトラック溝エッジでの盛り上がりがケージの内球面に干渉し易いことから、ポケットのケージ内球面側のエッジ部を球面Ｒ形状とすることが好ましいが、ポケットのケージ外球面側のエッジ部も球面Ｒ形状としてもよく、ポケットのケージ内球面側およびケージ外球面側の両方のエッジ部を球面Ｒ形状とすれば最適である。なお、「球面Ｒ形状」とは、ケージの内球面あるいは外球面とポケットの端面とを滑らかに繋ぐ球面状の連続曲面を意味する。

このようにポケットのケージ内球面側あるいはケージ外球面側のエッジ部を球面Ｒ形状とすれば、トラック溝エッジの盛り上がりがケージ球面に干渉しても、ポケットのエッジ部に割れや欠け等が発生しにくくなり、ケージの強度を確保することができる。

また、トラック溝エッジの盛り上がりがケージ球面に干渉することにより、ケージの動きが拘束されると、ポケットの薄肉側隅部に応力が集中する。

そこで、本発明では、前述した構成におけるポケットの薄肉側隅部の曲率半径を、その厚肉側隅部の曲率半径より大きく、かつ、ボールの半径より小さく設定することが望ましい。

このようにポケットの薄肉側隅部の曲率半径を、その厚肉側隅部の曲率半径より大きく、かつ、ボールの半径より小さくすれば、前述したようにトラック溝エッジの盛り上がりがケージ球面に干渉しても、ポケットの薄肉側隅部への応力集中を緩和することができ、薄肉側隅部と厚肉側隅部での応力バランスを最適化することができ、その結果、ケージの強度を確保することができる。

なお、ポケットの薄肉側隅部の曲率半径が、その厚肉側隅部の曲率半径以下であれば、ポケットの薄肉側隅部への応力集中を緩和することが困難となり、また、ポケットの薄肉側隅部の曲率半径がボール半径以上であれば、ポケット間の柱部にボールが接触した時に薄肉側隅部がボールに干渉することになる。

本発明では、外側継手部材および内側継手部材の両トラック溝をテーパ状とすることにより、外側継手部材の外径を大きくすることなく、作動角の高角化を容易に実現する上で、外側継手部材の肉厚を薄くしてもその外側継手部材の強度および加工性を低下させないように、この固定型等速自在継手の内部諸元の中で、トラック溝をテーパ状にすることによる影響および傾向を検証し、前述のトラック溝のテーパ角度の最適値としてその上限値を１２°に規定した。

本出願人は、従来必要な基本性能である強度や耐久性を確保しながら、静的内部力解析、有限要素法（ＦＥＭ）解析を用いて検討を進め、トラック溝のテーパ角度の範囲を絞り込んで最適設定した。そして、テーパ角度を変えたサンプルの評価結果と解析結果との整合性を確認した。

前述の構成において、ケージの外球面中心と内球面中心とのケージオフセット量ｆと、外側継手部材のトラック溝の曲率中心または内側継手部材のトラック溝の曲率中心とボールの中心とを結ぶ線分の長さＰＣＲとの比の値ｆ／ＰＣＲが０．１２以下であることが望ましい。このケージオフセット量ｆは、ケージの縦断面における肉厚差に関係するため、この点を考慮してケージオフセット量ｆを設定することが望ましい。

例えば、ケージオフセット量ｆを大きく設定することにより、外側継手部材の開口端側にケージの厚肉側を位置させるようにすれば、外側継手部材の開口端側のケージの肉厚を増大させて強度向上を図ることができる利点を有する。また、外側継手部材の開口端側のケージの肉厚を増大させることによって、作動角をとった時、外側継手部材の開口端から飛び出そうとするボールをケージで拘束することができる。

ただし、ケージオフセット量ｆが大きすぎると、ケージのポケット内におけるボールの周方向移動量が大きくなり、ボールの適正な運動を確保するため、ケージのポケットの周方向寸法を大きくする必要が生じるので、ケージの柱部が細くなり、強度面が問題となる。また、ケージの入口側と反対側に位置する奥側の肉厚が小さくなり、強度面が問題となる。

以上より、ケージオフセット量ｆが過大であるのは好ましくなく、ケージオフセット量ｆを設ける意義と前述の強度面での問題との均衡を図り得る最適範囲が存在する。ただ、ケージオフセット量ｆの最適範囲は継手の大きさによって変わるので、継手の大きさを表わす基本寸法との関係において求める必要がある。そのため、ケージオフセット量ｆと、外側継手部材のトラック溝の曲率中心または内側継手部材のトラック溝の曲率中心とボールの中心とを結ぶ線分の長さＰＣＲとの比ｆ／ＰＣＲを用いる。

そこで、前述の構成におけるケージオフセット量は、そのケージオフセット量ｆと、作動角０°時における外側継手部材のトラック溝の曲率中心または内側継手部材のトラック溝の曲率中心とボールの中心とを結ぶ線分の長さＰＣＲとの比ｆ／ＰＣＲを０より大きく、かつ、０．１２以下とすることが望ましい。

この比ｆ／ＰＣＲが０．１２より大きいと前述の強度面での問題がある。逆に、０以下であるとケージオフセット量ｆを設ける意義がなくなる。すなわち、ケージオフセット量ｆが０の場合、トラックオフセット量も０のため、オフセットが０となり、くさび角＝０でボール（ケージ）位置が定まらず、作動性が著しく悪化することから、０以下の範囲では、その目的が達成できない。従って、ケージ強度の確保、耐久性の確保の点から、比ｆ／ＰＣＲが０より大きく、かつ、０．１２以下であることが、ケージオフセット量ｆの最適範囲である。

本発明によれば、ケージの外球面の開口側端部を軸方向に向けて延在させ、ケージの内球面の開口側端部を外球面の開口側端部に向けて拡径するテーパ状としたことにより、ケージの開口側端部を最大作動角時でもシャフトに干渉することがない程度まで延ばすことで、高角域においてもケージの外球面と外側継手部材の内球面との接触面積を確保することができる。

これによって、ボールがケージを開口側へ押し、そのケージの外球面の開口側端部と外側継手部材の内球面が強く擦れ合っても発熱による耐久性の低下や伝達トルクの損失を抑制することができる。

その結果、作動角の高角化を容易に実現することができ、近年における自動車の乗車空間拡大の観点からホイールベースを長くする要望に対して、車両回転半径が大きくならないように前輪の操舵角の増大を容易に図ることができる。

本発明に係る固定型等速自在継手の実施形態を以下に詳述する。

図１に示す実施形態の等速自在継手は、内球面２１に複数のトラック溝２２を円周方向等間隔に軸方向に沿って開口端２３に向けて形成したマウス部２４を有する外側継手部材である外輪２５と、外球面２６に外輪２５のトラック溝２２と対をなす複数のトラック溝２７を円周方向等間隔に軸方向に沿って形成した内側継手部材である内輪２８と、外輪２５のトラック溝２２と内輪２８のトラック溝２７間に介在してトルクを伝達する複数のボール２９と、外輪２５の内球面２１と内輪２８の外球面２６との間に介在して各ボール２９を保持するケージ３０とを備えている。複数のボール２９は、ケージ３０に形成されたポケット３３に収容されて円周方向等間隔に配置されている。

前述の外輪２５のマウス部２４から一体的に延びるステム部（図示せず）に例えば従動軸（図示せず）が連設され、内輪２８に駆動軸（図示せず）がセレーション等で結合されることにより、それら従動軸と駆動軸間で作動角度変位を許容しながらトルク伝達が可能な構造となっている。

外輪２５の各トラック溝２２は、その開口側溝底を外輪２５の開口端２３に向けて直線的に拡径させたテーパ状としている。つまり、トラック溝２２は、マウス部２４の奥側での円弧底２２ａと、マウス部２４の開口側でのテーパ底２２ｂとを有する。一方、内輪２８の各トラック溝２７は、その奥側溝底を内輪２８の奥端に向けて直線的に拡径させたテーパ状としている。つまり、トラック溝２７は、マウス部２４の開口側での円弧底２７ａと、マウス部２４の奥側でのテーパ底２７ｂとを有する。

ここで、図１は作動角が０°の状態、図２は作動角が最大作動角θの状態を示している。作動角とは、外輪２５の回転軸Ｘと内輪２８の回転軸Ｙとがなす角度を意味する。また、外輪２５の回転軸Ｘと内輪２８の回転軸Ｙが０°以外のある作動角をとったとき、両回転軸Ｘ，Ｙのなす角度θの二等分線に垂直な平面を継手中心面Ｐと称する。作動角θをとったとき、すべてのボール２９が継手中心面Ｐ上にあれば、ボール中心から両回転軸Ｘ，Ｙまでの距離が相等しく、従って、両回転軸Ｘ，Ｙ間で等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。固定型等速自在継手では、作動角θに関わりなく継手中心Ｏは固定されている。

図３は、（ａ）に実施形態のケージ３０を示し、このケージ３０と比較するため、（ｂ）に従来のケージ１０（図１５参照）を示す。この実施形態のケージ３０は、従来品よりも、その外球面３２の開口側端部を軸方向に向けて延在させ、内球面３１の開口側端部を外球面３２の開口側端部に向けて拡径するテーパ面３４を形成している。このケージ３０の開口側端部では、図２に示すように外輪２５と内輪２８が最大作動角θをとった状態で、内輪２８にセレーション嵌合で取り付けられたシャフト３５がケージ３０の開口側端部と干渉しない程度にその外球面３２の開口側端部を延在させる。

シャフト３５がケージ３０の開口側端部と干渉しない程度までケージ３０の外球面３２の開口側端部を延在させる場合、ケージ３０の内球面３１の開口側端部に位置するテーパ面３４のテーパ角度θ／２を、外輪２５と内輪２８がなす最大作動角θの半分以上とすることが望ましい。このようにテーパ面３４のテーパ角度θ／２を最大作動角θの半分以上とすれば、高角域においてもケージ３０の外球面３２と外輪２５の内球面２１との接触面積を確保することができる。なお、このテーパ角度θ／２が最大作動角θの半分よりも小さければ、シャフト３５がケージ３０の開口側端部と干渉することになる。

このように高角域においてもケージ３０の外球面３２と外輪２５の内球面２１との接触面積を確保することができることにより、最大作動角θをとった時に、ボール２９がケージ３０を開口側へ押し、そのケージ３０の外球面３２の開口側端部と外輪２５の内球面２１が強く擦れ合っても発熱による耐久性の低下や伝達トルクの損失を最小限に抑えることができる。また、ケージ３０の剛性を最大限に確保することができるので、ケージ３０自体の強度も向上する。

図４は、前述したケージ３０において、ポケット３３のケージ内球面３１と端面３９を繋ぐエッジ部３５を球面Ｒ形状とする。この球面Ｒ形状は、ケージ３０の内球面３１とポケット３３の端面３９とを滑らかに繋ぐ球面状の連続曲面である。ケージ内球面側のエッジ部３５はポケット３３の開口縁全周に亘って形成されている。なお、図５は、ポケット３３のケージ内球面側のエッジ部３５を球面Ｒ形状とすると共にそのケージ外球面側のエッジ部３６も球面Ｒ形状とした実施形態を示す。このケージ外球面側のエッジ部３６についても、その球面Ｒ形状は、ケージ３０の外球面３２とポケット３３の端面３９とを滑らかに繋ぐ球面状の連続曲面であり、ポケット３３の開口縁全周に亘って形成されている。

このようにポケット３３のケージ内球面側あるいはケージ外球面側のエッジ部３５，３６を球面Ｒ形状とすれば、等速自在継手に許容レベルを超えるトルクが動的捩りモードで負荷された場合、外輪２５および内輪２８のトラック溝エッジの盛り上がりがケージ３０の内球面３１および外球面３２に干渉しても、ポケット３３のエッジ部３５，３６に割れや欠け等が発生しにくくなり、ケージ３０の強度を確保することができる。

ケージ３０は、後述するようにケージオフセットを設けることにより、外輪２５の開口端側に向けて厚肉で、その奥側に向けて薄肉となった形状を有する。このケージ３０において、図６に示すようにポケット３３の薄肉側隅部３７の曲率半径を、その厚肉側隅部３８の曲率半径より大きく、かつ、ボール２９の半径より小さく設定する。なお、ポケット３３の薄肉側隅部３７の曲率半径とその厚肉側隅部３８の曲率半径とを比較し易くするため、図７にポケット形状を平面的に示す。図８は、ポケット３３の薄肉側隅部３７の曲率半径を、厚肉側隅部３８の曲率半径と同一にした最小値Ｒminに設定した場合を示し、また、図９は、ポケット３３の薄肉側隅部３７の曲率半径を、ボール２９の半径と同一にした最大値Ｒmaxに設定した場合を示す。

このようにポケット３３の薄肉側隅部３７の曲率半径を、その厚肉側隅部３８の曲率半径より大きく、かつ、ボール２９の半径より小さくすることで、前述したようにトラック溝エッジの盛り上がりがケージ３０の内球面３１および外球面３２に干渉することによりケージ３０の動きが拘束されても、ポケット３３の薄肉側隅部３７へ応力が集中することを緩和でき、薄肉側隅部３７と厚肉側隅部３８での応力バランスを最適化することができ、その結果、ケージ３０の強度を確保することができる。

ＦＥＭ解析によれば、ポケット３３の薄肉側隅部３７の曲率半径を大きくすれば、その部位に発生する応力が減少し、厚肉側隅部３８の応力値に近づくことから、最適な応力バランスとなり、トラック溝エッジの盛り上がりがケージ３０の内球面３１および外球面３２に干渉してケージ３０を拘束しても、ケージ３０が破損するまでの余裕代が増えることから、高角域における継手の強度を確保することができる。

図１０は、外輪２５および内輪２８のそれぞれのトラック溝２２，２７の形状、トラックオフセットおよびケージオフセットを説明するため、図１の拡大断面（ハッチングは省略）を示す。

この実施形態の等速自在継手では、大きな作動角を取り得る構造とするため、外輪２５のトラック溝２２の曲率中心Ｏ_１と、内輪２８のトラック溝２７の曲率中心Ｏ_２とは、ボール中心を含む継手中心面Ｐに対して等距離Ｆだけ軸方向に逆向きにオフセットされている（トラックオフセット）。同様に、ケージ３０の内球面３１の曲率中心Ｏ_３と、外球面３２の曲率中心Ｏ_４とは、継手中心面Ｐに対して等距離ｆだけ軸方向に逆向きにオフセットされている（ケージオフセット）。内輪２８の外球面２６の曲率中心と、外輪２５の内球面２１の曲率中心はそれぞれケージ３０の内外球面３１，３２の曲率中心Ｏ_３，Ｏ_４と一致している。

このようにして、一対のトラック溝２２，２７により、外輪の奥側から開口端側に向けて径方向間隔が徐々に増加する楔状のボールトラックが形成されている。各ボール２９は一対のトラック溝２２，２７間に転動可能に組み込まれており、外輪２５と内輪２８が作動角θをとった状態でトルクを伝達するとき、楔状のボールトラックの間隔の広い方へ移動させようとする軸方向の力を受ける。

外輪２５と内輪２８が最大作動角θをとったとき、外輪２５のマウス部２４の開口端２３からボール２９が飛び出すことを防止するため、ケージ３０のポケット３３で拘束できるようにケージオフセット量ｆを従来のものよりも大きく設定する。すなわち、ケージオフセット量をｆ、ボール２９の中心軌跡半径値、すなわち、作動角０°時における外輪２５のトラック溝２２の曲率中心Ｏ_１または内輪２８のトラック溝２７の曲率中心Ｏ_２とボール２９の中心Ｏ_５とを結ぶ線分の長さをＰＣＲとした場合、ｆ／ＰＣＲが０より大きく、かつ、０．１２以下となるように設定する。

このように、外輪２５および内輪２８の両トラック溝２２，２７をテーパ状とすれば、最大作動角の高角化と共に、外輪２５のトラック溝２２におけるボール２９との接触長さを確保することができるので、外輪２５と内輪２８との間で安定したトルク伝達を確保することができる。また、作動角をとった時にボール２９が最も飛び出そうとする位相（位相角φ＝０°）（図２および図１１参照）のトラック荷重およびポケット荷重を低減することができるので、外輪２５と内輪２８の高角域での作動において有利である。ここで、トラック荷重とポケット荷重とは、接触するボール２９からトラック溝２２，２７またはポケット３３が受ける荷重を意味する。

また、ケージ３０の外球面３２は外輪２５の内球面２１に接触案内され、ケージ３０の内球面３１は内輪２８の外球面２６に接触案内され、トルク伝達時にケージ３０と外輪２５または内輪２８との間で球面力が作用するが、その球面力の最大値を低減することができ、継手内部での発熱を抑制できる。さらに、鍛造型が抜き易いことから冷間鍛造による加工性がよく、製造コストの低減も図れる。

本出願人は、外輪２５および内輪２８の両トラック溝２２，２７をテーパ状とすることにより、前述したトラック荷重、ポケット荷重および球面力からなる内部力の影響および傾向を検証し、有限要素法（ＦＥＭ）解析を実施することで、トラック溝２２，２７のテーパ角度α（図１および図１０参照）の範囲を絞り込んで最適設定した。

まず、トラック溝２２，２７のテーパ角度αを大きくすることによる内部力（トラック荷重、ポケット荷重および球面力）の傾向は、表１のとおりである。なお、表１において、ボール２９が最も飛び出そうとする位相（位相角φ＝０°）と内部力が最大値となるボール２９の位相、つまり、ボール２９が最も奥に入る位相（位相角φ＝１８０°付近）について検証した（図２および図１１参照）。また、球面力の変動幅とは、球面力の最大値と最小値との差を意味する。

上表から明らかなようにテーパ角度αを大きくすると、ポケット荷重の最大値が大きくなるが、ボール２９が最も奥に入る位相（位相角φ＝１８０°付近）で外輪２５の肉厚を大きく、また、ケージオフセット量を大きくしてケージの肉厚を大きくすることにより強度を確保することができるので問題にはならない。

次に、テーパ角度αの上限値を決定するために、有限要素法（ＦＥＭ）解析を実施した。テーパ角度αが大きくなれば、ボール２９が最も飛び出そうとする位相（位相角φ＝０°）では内部力（トラック荷重およびポケット荷重）が小さくなり、強度的に有利になるが、外輪２５の開口端２３でありその肉厚が小さくなるため、トラック溝２２に発生する応力値を継手強度に換算して傾向を確認した。その結果は、図１２に示すとおりである。同図に示す特性から明らかなようにテーパ角度αが１２．９°で継手強度が必要強度を下回ることから、テーパ角度αの最適範囲としてその上限値を１２°として規定した。

なお、前述の実施形態では、トラックオフセットを設けた場合について例示したが、そのトラックオフセットを設けずにトラックオフセット量Ｆを０にしてもよい。つまり、トラックオフセットを設けていると、外輪２５の奥側に位置する円弧底２２ａがその奥側に向けて浅くなることから、作動角をとった時にトラック溝２２の最奥部に位置するボール２９の乗り上げが生じる可能性がある。

そこで、外輪２５のトラック溝２２の曲率中心Ｏ_１をその内球面２１の曲率中心Ｏ_４に一致させ、かつ、内輪２８のトラック溝２７の曲率中心Ｏ_２をその外球面２６の曲率中心Ｏ_３に一致させてトラックオフセット量Ｆを０とすることにより、外輪２５の奥側に位置する円弧底２２ａが奥側に向けて浅くなることがなく均一な深さとなることから、作動角をとった時にトラック溝２２の最奥部に位置するボール２９の乗り上げを抑制することができる。

トラックオフセット量Ｆ、ケージオフセット量ｆ、テーパ角度αの各因子を変動させて内部力解析を行った結果を次に述べる。ここで、トラックオフセットについては、高角域に入っても許容負荷トルクが落ちない超高角固定式等速自在継手の特性を考慮してトラックオフセット量Ｆ＝０すなわち「トラックオフセットなし」とした。ケージオフセットについては、内部力の観点からはできるだけ小さい方がよいが、継手の機能確保のためにはある程度ケージオフセットをつけなくてはならないことから、０≦ｆ／ＰＣＲ≦０．１５０で変動させた。テーパ角度αについては、０°から１２°までの範囲で変動させた。

ケージオフセット量ｆ＝０（ｆ／ＰＣＲ＝０）ならば、テーパ角度αが１．１°以上のとき、ボール２９が最も飛び出そうとする位相（０°位相）のトラック荷重およびポケット荷重はゼロになる。一方、テーパ角度α＝１２°ならば、ケージオフセット量ｆ＝３．９４（ｆ／ＰＣＲ＝０．１１４）以下のとき、ボール２９が最も飛び出そうとする位相（０°位相）のトラック荷重およびポケット荷重はゼロになる。

つまり、ケージオフセット量ｆとテーパ角度αとの関係が図１３の斜線領域内に設定されていれば、ボール２９が最も飛び出そうとする位相（０°位相）のトラック荷重およびポケット荷重はゼロになる。ここで、図１３は内部力解析により算出したデータに基づいて作図したもので、横軸がテーパ角度α（deg）、縦軸がｆ／ＰＣＲを表している。

これより、ボール２９が最も飛び出そうとする位相（０°位相）に負荷される荷重を極力小さくし、より高角作動域において有利となる内部仕様は次のようになる。
トラックオフセット：なし
ケージオフセット量ｆ：０＜ｆ／ＰＣＲ≦０．１２
テーパ角度α：１°≦α≦１２°

また、この実施の形態では、ボール２９が最も飛び出そうとする位相（０°位相）における荷重が低減する一方、ピークの荷重は従来の等速自在継手と比較して大きくなることから、強度を確保するため、ケージ３０の肉厚部を外輪２５の開口端側に向けた配置とするのが好ましい。

前述の内部仕様で寸法を設定した本発明による固定式等速自在継手（実施例）と従来の固定式等速自在継手（比較例）について、最大作動角時のボール２９が最も飛び出そうとする位相（０°位相）におけるトラック荷重およびポケット荷重を算出したところ、結果は図１４に示すとおりであった。同図より、比較例に対して実施例が、トラック荷重とポケット荷重のいずれも８割以上減少していることが分かる。

本発明に係る固定型等速自在継手の実施形態を示す断面図である。 図１の等速自在継手において、外輪に対して内輪が最大作動角をとった状態を示す断面図である。 （ａ）は図１の等速自在継手におけるケージを示す断面図、（ｂ）は従来の等速自在継手におけるケージを示す断面図である。 ポケットのケージ内球面側のエッジ部を球面Ｒ形状とした実施形態を示すケージの断面図である。 ポケットのケージ内球面側のエッジ部およびケージ外球面のエッジ部を球面Ｒ形状とした実施形態を示すケージの断面図である。 ポケットのケージ内球面側のエッジ部およびケージ外球面のエッジ部を球面Ｒ形状とし、ポケットの薄肉側隅部の曲率半径を厚肉側隅部よりも大きくした実施形態を示すケージの断面図である。 ポケットの薄肉側隅部および厚肉側隅部を示す部分拡大平面図である。 ポケットの薄肉側隅部を最小曲率半径とした場合を示す部分拡大平面図である。 ポケットの薄肉側隅部を最大曲率半径とした場合を示す部分拡大平面図である。 図１の等速自在継手において、ケージオフセットおよびトラックオフセット等の内部諸元を説明するための図である。 ケージに収容されたボールの位相を示す断面図である。 トラック溝のテーパ角度に対する継手強度の関係を示す特性図である。 トラック溝のテーパ角度とｆ／ＰＣＲとの関係を示す特性図である。 最大作動角時における基本トルク負荷時の０°位相荷重を示す特性図である。 固定型等速自在継手の従来例を示す断面図である。 図１５の等速自在継手において、外輪に対して内輪が最大作動角をとった状態を示す断面図である。

符号の説明

２１ 外側継手部材（外輪）の内球面
２２ 外側継手部材（外輪）のトラック溝
２３ 開口端
２５ 外側継手部材（外輪）
２６ 内側継手部材（内輪）の外球面
２７ 内側継手部材（内輪）のトラック溝
２８ 内側継手部材（内輪）
２９ ボール
３０ ケージ
３１ ケージの内球面
３２ ケージの外球面
３３ ポケット
３４ テーパ面
３５，３６ エッジ部
３７ 薄肉側隅部
３８ 厚肉側隅部
ｆ ケージオフセット量
Ｆ トラックオフセット量
Ｏ_１ 外側継手部材（外輪）のトラック溝の曲率中心
Ｏ_２ 内側継手部材（内輪）のトラック溝の曲率中心
Ｏ_３ ケージの内球面中心
Ｏ_４ ケージの外球面中心
Ｏ_５ ボールの中心
α トラック溝のテーパ角度
θ／２ ケージの内球面の開口側端部のテーパ角度

Claims (7)

1. 内球面に複数のトラック溝を円周方向等間隔に軸方向に沿って開口端に向けて形成した外側継手部材と、外球面に前記外側継手部材のトラック溝と対をなす複数のトラック溝を円周方向等間隔に軸方向に沿って形成した内側継手部材と、前記外側継手部材と内側継手部材の両トラック溝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てボールを保持するケージとを備え、
   前記外側継手部材のトラック溝の開口側溝底を、前記開口端に向けて直線的に拡径したテーパ状にすると共に、前記内側継手部材のトラック溝の奥側溝底を、その奥端に向けて直線的に拡径したテーパ状とし、
   前記ケージの外球面中心と内球面中心は継手中心に対して軸方向に等距離だけ反対側にオフセットされ、かつ、外側継手部材のトラック溝の曲率中心と内側継手部材のトラック溝の曲率中心は継手中心に対してケージオフセット量だけオフセットされ、
   前記ケージの外球面の開口側端部を軸方向に向けて延在させ、ケージの内球面の開口側端部を外球面の開口側端部に向けて拡径するテーパ状としたことを特徴とする固定型等速自在継手。
2. 前記ケージの内球面の開口側端部のテーパ角度を、外側継手部材と内側継手部材がなす最大作動角の半分以上とした請求項１に記載の固定型等速自在継手。
3. 前記ケージの円周方向に沿って形成され、かつ、前記ボールを収容するポケットのケージ内球面側あるいはケージ外球面側の少なくともいずれか一方のエッジ部を球面Ｒ形状とした請求項１又は２に記載の固定型等速自在継手。
4. 前記ケージの円周方向に沿って形成され、かつ、前記ボールを収容するポケットの薄肉側隅部の曲率半径を、その厚肉側隅部の曲率半径より大きく、かつ、ボールの半径より小さく設定した請求項１〜３のいずれか一項に記載の固定型等速自在継手。
5. 前記外側継手部材および内側継手部材の両トラック溝のテーパ角度の上限値を１２°とした請求項１〜４のいずれか一項に記載の固定型等速自在継手。
6. 前記ケージの外球面中心と内球面中心とのケージオフセット量ｆと、作動角０°時における外側継手部材のトラック溝の曲率中心または内側継手部材のトラック溝の曲率中心とボールの中心とを結ぶ線分の長さＰＣＲとの比の値ｆ／ＰＣＲが０より大きく、かつ、０．１２以下である請求項１〜５のいずれか一項に記載の固定型等速自在継手。
7. 前記外側継手部材の開口端側にケージの厚肉側を位置させた請求項１〜６のいずれか一項に記載の固定型等速自在継手。

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