JP2007239926A

JP2007239926A - クロスグルーブ型等速自在継手およびそのケージの製造方法

Info

Publication number: JP2007239926A
Application number: JP2006064650A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Yoshida; 和彦吉田
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2007-09-20

Abstract

【課題】熱処理を廃止し、クロスグルーブ型等速自在継手のケージポケット部の寸法精度を向上させる。
【解決手段】ボール個数６個を越えるクロスグルーブ型等速ジョイントにおいて、ケージポケット部をレーザ切断し、切断面に硬化層を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車その他の車両や一般産業機械の動力伝達系に使用されるクロスグルーブ型等速自在継手およびそのケージの製造方法に関する。

クロスグルーブ型等速自在継手は、軸線に対して角度をなすトラックを外周面に形成した内輪と、前記内輪のトラック溝とは逆方向に軸線に対して角度をなすトラックを内周面に形成した外輪と、対をなす前記内輪のトラックと前記外輪のトラックが交差する位置に組み込んだトルク伝達ボールと、前記内輪の外周面と前記外輪の内周面との間に介在して前記トルク伝達ボールを保持するケージとを有する。

特許文献１には、クロスグルーブ型等速自在継手のケージを浸炭焼入れによって表面硬さをＨＲＣ６０以上とすることが記載されている。
E. R. Wagner, Universal joint and Driveshaft Design Manual, SAE INTERNATIONAL, p163-166

クロスグルーブ型等速自在継手は交差した内外輪のトラックの交点でボールをステアするが、トルクを負荷すると隣り合うボールには互いに軸心の逆方向に飛び出そうとする力が作用する。

このようにクロスグルーブ型等速自在継手のケージは、ボールを２等分面上に拘束するために重要な部品である。特に、ケージのポケット数が多いクロスグルーブ型等速自在継手において、ポケットの千鳥（窓枠）寸法のばらつきが大きくなると多数個のボールが交差角の２等分面の同一平面上に整列位置せず、クロスグルーブ型等速自在継手の作動性や耐久性を損ねる。

通常自動車などに用いられるクロスグルーブ型等速自在継手ではボール６個が公知であるが、大きな負荷容量でできるだけ外径寸法をコンパクトにしなければならない場合には、ボール数６個を越えたもの、たとえば先の出願（特願２００４−２７０３３７）では鉄道車両のモーターギヤボックス間を繋ぐカップリング用として多数個ボールのクロスグルーブ型等速自在継手を提案している。しかし、同寸法のボールの個数を増加するとＰＣＤが大きくなるに伴って、ケージも必然的に薄肉大口径のプロポーションになる。このような薄肉大口径のケージを従来の浸炭焼入れで処理すると、歪が発生するという問題があった。歪が発生するとその後の研削仕上げの取りしろが多くなって必要以上に加工時間を費やし、また、良品の採取率が悪化し、生産性が損なわれて製品の高コストに繋がるといった欠点もあった。更には研削後の焼入れ硬化深さが不均一になってクロスグルーブ型等速自在継手としての耐久機能を損ねるといった欠点もある。

本発明の主要な目的は、従来のクロスグルーブ型等速自在継手における上述の問題点に鑑み、ケージの熱処理を廃止し、かつ、ケージのポケット部の寸法精度向上を図ることにある。

本発明は、クロスグルーブ型等速自在継手のケージのポケットをレーザ切断することによって課題を解決したものである。すなわち、本発明のクロスグルーブ型等速自在継手は、ケージのポケットをレーザ切断により形成したことを特徴とするものである（請求項１、請求項５）。レーザ切断によって、切断面には硬化層が形成される。

本発明の効果はケージが薄肉大口径となるボール個数が６個を越える多数個の場合（請求項２）にとりわけ顕著となる。

請求項３の発明は、請求項１のクロスグルーブ型等速自在継手において、ケージ材料がＣ量０．４０Ｃ以上の鋼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１のクロスグルーブ型等速自在継手において、ケージを調質により硬さＨＲＣ２０〜３０としたことを特徴とするものである。

本発明によれば、ケージポケットを機械加工することなく、浸炭焼入れを廃止したため変形が抑制できる。このように熱処理変形が抑制される結果、後工程である研削加工の生産性の向上とコスト低減が図れる。また、熱処理変形が抑制される結果、後工程である研削加工部の硬化深さが安定し、クロスグルーブ型等速自在継手の耐久信頼性が高まる。さらに、請求項４の発明のようにケージ材料を調質することで硬化深さを増加させることができる。

以下、図面に従って本発明の実施の形態を説明する。

まず、図１ないし図５に示す、鉄道車両等のモータと減速機を連結する軸継手に適用した実施の形態について述べる。ここで、図１は縦断面図、図２は図１のII−II矢視図、図３は斜視図である。なお、図３は、一部をカットしたほか、仕切り板やボルト・ナット、密封装置等を取り外した状態を示している。

この実施の形態の軸継手は一対のクロスグルーブ型等速自在継手１６で構成され、各クロスグルーブ型等速自在継手１６は、内輪２０と、外輪３０と、ボール４０と、ケージ５０を主要な構成要素としている。

内輪２０は外周面に複数のトラック２２を有し、中心部にテーパ孔２６を有する。内輪２０はテーパ孔２６にてモータの出力軸または小歯車の支持軸に形成したテーパ軸と、キーによりトルク伝達可能に嵌合する。図示は省略したが、テーパ軸の端部にはおねじ部を有し、ナットで締結するようになっている。内輪２０は既存のモータと減速機軸との接続に必要なはめ合い長さとし、組み込み性を考慮してケージ５０に対し軸方向に分離できるタイプとしてある。すなわち、内輪２０の最大外径がケージ５０の最小内径より小さい。

内輪２０のトラック２２の両側に、異型断面形状のスペーサ７６と止め輪７８が装着してある。スペーサ７６は内輪の円筒形外周面と嵌合する円筒形内周面を有し、外周にボール２０を受ける斜面を有している。止め輪７８は内輪２０の外周面に形成した溝にはめ込んである。これらは、ケージ５０と内輪２０およびボール４０（カセット）を外輪３０と組み込んだ後、カセットが分離しないようにするためのストッパーとして機能する。なお、スペーサ７６と止め輪７８は外輪３０に装着するようにしてもよい。

通常、クロスグルーブジョイントはトルク伝達ボールが６個で、内輪にスプライン孔を有し、これにはめ合うスプライン軸で一対となった自在軸継手として自動車のプロペラシャフトやドライブシャフトに採用されている。しかし、軸継手として鉄道車両のモータと減速機との連結に適用する場合、スプライン軸に比べ相当量の大きさの軸径になっており、自動車のプロペラシャフトやドライブシャフトに使用されるクロスグルーブジョイントの形態では内輪を直接モータ軸や減速機軸に取り付けることができない。そのため、ここでは、既存のモータ軸および減速機軸との接合を可能とするため、ボール４０のピッチ円径を大きくするとともにボール数を増やし、ギヤカップリングの外歯歯車に相当する内輪２０にキー溝付きテーパ穴２６を設けた構成としたものである。もちろん、このような制約がない場合には通常のスプライン嵌合を採用してもよい。

外輪３０は、内輪２０の外周に位置し、内周面に内輪２０のトラック２２と同数のトラック３２が形成してある。図４に示すように、内輪２０のトラック２２と外輪３０のトラック３２は軸線に対して反対方向に角度をなしている。各トラック２２，３２が軸線に対してなす角（以下、トラック交差角という。）を図４では符号αで示してある。そして、対をなす内輪２０のトラック２２と外輪３０のトラック３２との交差部にボール４０が組み込んである。内輪２０の外周面と外輪３０の内周面との間にケージ５０が介在する。ケージ５０は、円周方向の等間隔位置に、ボール４０を保持するためのポケット５２を有する（図６参照）。

トルク伝達ボール４０の数および内外輪２０，３０のトラック２２，３２のトラック交差角αについては、モータ出力とクロスグルーブ型等速自在継手１６の負荷容量および取り付け軸の大きさとのバランスで、ボール数１４個、トラックの角度１０°を例として挙げることができるが、ボール数は１０〜１８個、トラック交差角αは３〜１６°の範囲内が好ましい。

継手の内部空間には潤滑剤が充填される。潤滑剤は、自動車用プロペラシャフトやドライブシャフトの場合と同様にグリースを使用するほか、ギヤオイルでもよい。図示した実施の形態では、一対の外輪３０の端面同士を突き合わせた状態でフランジ３４をボルト・ナット７４で締結して一体化してある。そして、外輪３０の端面間に仕切り板７０が挟み込んである。仕切り板７０は軸継手の内部空間を中央部で仕切り、一対のクロスグルーブ型等速自在継手を個別に分解する場合などにグリースの洩れを最小限度に抑える役割を果たす。符号７２はＯリングを示す。

クロスグルーブ型等速自在継手１６の外側の端部に密封装置６０が装着してある。密封装置６０はブーツ６２とブーツアダプタ６８とで構成されている。ブーツアダプタ６８は金属製で、おおむね円筒形をしており、一端にフランジ６９を有している。図示する実施の形態では、フランジ６９をゴムパッキング６３を介して外輪３０の外側の端面に当て、座金を介してボルト３８をねじ孔３６にねじ込むことにより、ブーツアダプタ６８を外輪３０に固定してある。ブーツ６２はゴムや樹脂等の可撓性材料でできており、小端部６４と大端部６６を有し、中間にて断面Ｖ字形に折り返した格好になっている。ブーツ６２の大端部６６はブーツアダプタ６８の端部をかしめて保持させてある。ブーツ６２の小端部６４は内輪２０の端部外周面に形成したブーツ溝２８に嵌めてその上からブーツバンド６５で締め付けてある。

上述の構成であるため、内輪２０と外輪３０とは角度変位が可能で、かつ、軸方向変位（プランジング）が可能である。図５（Ａ）はスライドインすなわち、内輪２０が図１の状態から同図の右側に相対的に移動した状態を示す。図５（Ｂ）はスライドアウトすなわち、内輪２０が図１の状態から同図の左側に相対的に移動した状態を示す。ボール４０の転動範囲がサークリップ２４によって規制され、その結果、上記軸方向変位（プランジング）量が規制される。図５はこれが７ｍｍの場合を例示したものである。

既に述べたように、ケージ５０は、円周方向の等間隔位置に、ボール４０を保持するためのポケット５２を有する（図６）。従来、機械加工によりポケット５２を形成した後、浸炭焼入れを施すのが一般的であった。しかし、複数のポケット５２をレーザ切断で形成することにより、浸炭処理が廃止できることが分かったものである。そうすることによって、大口径薄肉ケージのポケットの寸法精度の確保と加工工数削減を達成することができる。

レーザ切断では、局部的に短時間で溶融状態まで加熱され冷却されるため、切断と同時に焼入れできる。ケージ５０の前加工は、素材（機械構造用炭素鋼Ｓ５０Ｃ）を機械加工した後、レーザ切断によりポケット５２を形成した。切断の条件は、ＣＯ_２ガスレーザ装置を用い、出力２ｋｗ、アシストガス酸素（圧力０．５ｂａｒ）、切断速度：２５ｍ／ｓｅｃであった。ケージ５０の素材は、レーザ切断焼入れにてポケット５２の内壁面の硬化深さ０．１５以上を確保するため、Ｃ量０．４０重量％は最低限必要である。図７に、ケージ５０の素材をＳ５０Ｃの機械構造用炭素鋼をＨＲＣ２０〜３０の硬さに調質（ソルバイト組織）後にレーザ切断焼入れした場合と調質なしでレーザ切断焼入れした場合のレーザ加工後のポケット５２の内壁面の硬度分布を示す。調質することにより、表面硬さはＨｖ８２０で、有効深さは０．３１ｍｍと硬化深さが増加する。

本発明の実施の形態を示すクロスグルーブ型等速自在継手の縦断面図図１の継手のブーツとボルト・ナットを取り除いた状態の端面図図１の継手の一部破断斜視図内外輪のトラックおよびケージポケットの模式図（Ａ）はスライドイン時を示す図１におけるボール周辺の部分拡大図、（Ｂ）はスライドアウト時を示す図１におけるボール周辺の部分拡大図ケージの半断面図レーザ切断後の硬度分布を示すグラフ

符号の説明

１６クロスグルーブジョイント
２０内輪
２２トラック
２６テーパ孔
２８ブーツ溝
３０外輪
３２トラック
３４フランジ
３６ねじ孔
３８ボルト
４０ボール
５０ケージ
５２ポケット
６０密封装置
６２ブーツ
６３ゴムパッキング
６４小端部
６６大端部
６８ブーツアダプタ
６９フランジ
７０仕切り板
７２Ｏリング
７４ボルト・ナット
７６スペーサ
７８止め輪

Claims

ケージのポケットをレーザ切断により形成したクロスグルーブ型等速自在継手。
ボール個数が６個を越える請求項１のクロスグルーブ型等速自在継手。
ケージ材料がＣ量０．４０Ｃ以上の鋼である請求項１のクロスグルーブ型等速自在継手。
ケージを調質により硬さＨＲＣ２０〜３０とした請求項１のクロスグルーブ型等速自在継手。
ケージのポケットをレーザ切断により形成することからなるクロスグルーブ型等速自在継手のケージの製造方法。