JP2007263222A - 固定式等速自在継手 - Google Patents

Abstract

【課題】 内輪の強度を確保しつつ、その内輪の軽量化を図り、作動角の高角化を容易に実現する。
【解決手段】 内球面１２に複数のトラック溝１４を形成した外輪１０と、外球面２２に外輪１０のトラック溝１４と対をなす複数のトラック溝２４を形成した内輪２０と、外輪１０と内輪２０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３０と、外輪１０の内球面１２と内輪２０の外球面２２間に介在してボール３０を保持するケージ４０とを備え、ケージ４０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、ケージ４０の縦断面において、外輪１０の開口端側を厚肉にし、外輪１０のトラック溝１４を開口端に向けて拡径したテーパ状にすると共に、内輪２０のトラック溝２４を反開口端側に向けて拡径したテーパ状とし、内輪２０のスプライン孔２６の反開口端側周縁部に凹陥部２８を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は固定式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式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式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、固定式等速自在継手は、図１０に示すように内球面１１２に複数のトラック溝１１４を円周方向等間隔に軸方向に沿って開口端１１８に向けて形成した外側継手部材としての外輪１１０と、外球面１２２に外輪１１０のトラック溝１１４と対をなす複数のトラック溝１２４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しての内輪１２０と、外輪１１０のトラック溝１１４と内輪１２０のトラック溝１２４との間に介在してトルクを伝達する複数のボール１３０と、外輪１１０の内球面１１２と内輪１２０の外球面１２２との間に介在してボール１３０を保持するケージ１４０とを備えている。このケージ１４０の円周方向等間隔に、ボール１３０を収容したポケット１４６が形成されている。

前述した高角化のニーズに対する固定式等速自在継手としては、外輪１１０のトラック溝１１４の開口端側溝底を、その外輪１１０の開口端１１８に向けて直線的に拡径したテーパ状にすると共に、内輪１２０のトラック溝１２４の反開口端側溝底を、その外輪１１０の反開口端側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、図１２（ａ）は、一般的な固定式等速自在継手の一種であるアンダーカットフリー型等速自在継手（ＵＪ）における内輪２２０を示し、同図（ｂ）は、前述した各特許文献１〜３に開示された固定式等速自在継手における内輪１２０を示す。

同図（ａ）に示す内輪２２０において、外球面２２２に形成されたトラック溝２２４は、外輪の開口端側に位置する円弧部分２２４ａと、外輪の反開口端側に位置する直線部分２２４ｂとを有する。この直線部分２２４ｂは、内輪２２０の軸線と平行になっている。この内輪２２０の軸中心には、シャフトが挿入されるスプライン孔２２６が設けられており、このスプライン孔２２６における外輪の反開口端側には、シャフトを抜け止めするスナップリングが係止される段差部２２７が形成されている。

一方、同図（ｂ）に示す内輪１２０において、外球面１２２に形成されたトラック溝１２４は、外輪１１０の開口端側に位置する円弧部分１２４ａと、外輪１１０の反開口端側に位置する直線部分１２４ｂとを有する。この直線部分１２４ｂは、作動角の高角化を容易にするため、外輪１１０の反開口端側に向けて拡径するテーパ状になっている。この内輪１２０の軸中心には、シャフトが挿入されるスプライン孔１２６が設けられており、このスプライン孔１２６における外輪１１０の反開口端側には、シャフトを抜け止めするスナップリングが係止される段差部１２７が形成されている。

ここで、同図（ａ）に示す内輪２２０と同図（ｂ）に示す内輪１２０とを比較すると、同図（ｂ）に示す内輪１２０では、作動角の高角化を容易にするため、トラック溝１２４の直線部分１２４ｂをテーパ状にしていることから、外輪１１０の反開口端側端部のトラック溝１２４での肉厚Ｔ（トラック溝底からスプライン孔内径までの厚み）が、同図（ａ）に示す内輪２２０における外輪の反開口端側端部のトラック溝２２４ｂでの肉厚ｔ（トラック溝底からスプライン孔内径までの厚み）よりも大きく設定されている。

そのため、内輪１２０の強度を表す指標である最大作動角時（図１１参照）における内輪１２０の内径部の最大応力値に十分余裕を持たせることができる。なお、内輪１２０の内径部とは、スナップリングが係止される段差部１２７近傍の部位を意味し、最大応力値に十分余裕を持たせることができるとは、同図（ｂ）に示す内輪１２０の方がその内径部での応力集中が少ないことを意味する。

しかしながら、最大作動角時における内輪１２０の内径部の最大応力値に十分余裕を持たせることができる反面、外輪１１０の反開口端側端部のトラック溝１２４での肉厚Ｔが大きい分、内輪１２０の重量が大きくなってしまうという問題がある。

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、内輪の強度を確保しつつ、その内輪の軽量化を図り、作動角の高角化を容易に実現し得る固定式等速自在継手を提供することにある。

前述の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、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、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、ケージの縦断面において、外側継手部材の開口端側を厚肉にすると共にその反開口端側を薄肉にし、外側継手部材のトラック溝の開口端側溝底を、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、内側継手部材のトラック溝の反開口端側溝底を、その反開口端側に向けて直線的に拡径したテーパ状とし、内側継手部材の反開口端側の軸孔周縁部に凹陥部を形成したことを特徴とする。

本発明では、内側継手部材の反開口端側の軸孔周縁部に凹陥部を形成したことにより、その内側継手部材の軽量化を容易に実現することができる。

また、凹陥部の内径ｄとボールの中心径Ｄとの比を、ｄ／Ｄ≦０．７２とすることが望ましい。このように設定すれば、内側継手部材の強度を表す指標である最大作動角時における内側継手部材の内径部の最大応力値に十分余裕を持たせることができ、内側継手部材の強度を容易に確保することができると共にその内側継手部材の軽量化が図れる。なお、この凹陥部の内径ｄとボールの中心径Ｄとの比が、ｄ／Ｄ＞０．７２であると、内側継手部材の強度を確保することが困難となる。

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、この固定式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、外側継手部材の反開口端側のケージ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。

なお、本発明は、ボール数が６個あるいは８個である固定式等速自在継手に適用可能であるが、ボール数が８個の固定式等速自在継手に適用すれば、固定式等速自在継手のコンパクト化が図れる点で有効である。

本発明によれば、内側継手部材の反開口端側の軸孔周縁部に凹陥部を形成したことにより、内側継手部材の強度を表す指標である最大作動角時における内側継手部材の内径部の最大応力値に従来品と同等レベルで十分余裕を持たせることができ、内側継手部材の強度を容易に確保しつつ、その内側継手部材の軽量化が図れる。

その結果、内側継手部材の強度確保と共に軽量化が実現容易となり、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対応することができる。

本発明に係る固定式等速自在継手の実施形態を以下に詳述する。

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、例えば従動側の回転軸（図示せず）を外輪１０と結合し、駆動側の回転軸（図示せず）を結合して、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１は外輪１０の回転軸Ｘと内輪２０の回転軸Ｙとがなす作動角θが０°の状態を示し、図３はその作動角θが最大の状態を示す。

外側継手部材としての外輪１０はマウス部１６とステム部（図示せず）とからなり、ステム部にて従動側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椀状で、その内球面１２に、軸方向に延びた複数のトラック溝１４が円周方向等間隔に形成されている。そのトラック溝１４はマウス部１６の開口端１８まで延びている。

内側継手部材としての内輪２０は、その外球面２２に、軸方向に延びた複数のトラック溝２４が円周方向等間隔に形成されている。そのトラック溝２４は内輪２０の軸方向に切り通されている。内輪２０は駆動側の回転軸とトルク伝達可能に結合するためのスプライン孔２６を有している。

外輪１０のトラック溝１４と内輪２０のトラック溝２４とは対をなし、各対のトラック溝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のトラック溝１４と内輪２０のトラック溝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、換言すれば、トラック溝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。特に、ボールが８個の場合、コンパクトな等速自在継手を実現することができる。

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。外輪１０の内球面１２の曲率中心とケージ４０の外球面４２の曲率中心とは一致し、図２に符号Ｏ_４で示している。同様に、内輪２０の外球面２２の曲率中心とケージ４０の内球面４４の曲率中心とは一致し、図２に符号Ｏ_３で示している。なお、図面では、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いる。

外輪１０のトラック溝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は開口端側に位置する。そして、トラック溝１４は、開口端側の溝底を、開口端１８に向かって直線的に拡径するテーパ角度αのテーパ状としている。

内輪２０のトラック溝２４は円弧部分２４ａと直線部分２４ｂとからなり、円弧部分２４ａは外輪１０の開口端側に位置し、直線部分２４ｂは反開口端側に位置する。そして、トラック溝２４は、外輪１０の奥側つまり反開口端側の溝底を、反開口端側に向かって直線的に拡径するテーパ角度αのテーパ状としている。

この継手では、大きな作動角θを取り得る構造とするため、図２に示すように、外輪１０のトラック溝１４の曲率中心Ｏ_１は内球面１２の中心Ｏ_４に対して、内輪２０のトラック溝２４の曲率中心Ｏ_２は外球面２２の中心Ｏ_３に対して、等距離Ｆだけ軸方向に逆向きにオフセットさせている（トラックオフセット）。同様に、ケージ４０の外球面４２の曲率中心Ｏ_４と内球面４４の曲率中心Ｏ_３は、継手中心Ｏに対して等距離ｆだけ軸方向に逆向きにオフセットさせている（ケージオフセット）。

図３に示すように、外輪１０の回転軸Ｘと内輪２０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。

この実施形態における内輪２０は、図５に示すように外球面２２に形成されたトラック溝２４が外輪１０の開口端側に位置する円弧部分２４ａと外輪１０の反開口端側に位置する直線部分２４ｂとを有し、その直線部分２４ｂが作動角の高角化を容易にするために外輪１０の反開口端側に向けて拡径するテーパ状となっている。また、この内輪２０の軸中心には、シャフト５０が挿入される軸孔としてのスプライン孔２６が設けられており、このスプライン孔２６における外輪１０の反開口端側には、シャフト５０を抜け止めするスナップリング６０が係止される段差部２７が形成されている。

ここで、図１２（ｂ）に示すように、従来の内輪１２０は、作動角の高角化を容易にするため、トラック溝１２４の直線部分１２４ｂをテーパ状にしていることから、外輪の反開口端側端部のトラック溝１２４での肉厚Ｔ（トラック溝底からスプライン孔内径までの厚み）が大きく設定されていた。そのため、内輪１２０の強度を表す指標である最大作動角時における内輪１２０の内径部の最大応力値に十分余裕を持たせることができる。この内輪１２０の内径部とは、スナップリングが係止される段差部近傍の部位を意味し、最大応力値に十分余裕を持たせることができるとは、その内径部での応力集中が少ないことを意味する。

この実施形態では、最大作動角時における内輪２０の内径部の最大応力値に十分余裕を持たせると共に内輪２０の重量を削減するため、図５に示すように内輪２０の反開口端側のスプライン孔２６の周縁部に凹陥部２８を形成する。このように内輪２０の反開口端側のスプライン孔２６の周縁部に凹陥部２８を形成したことにより、その内輪２０の軽量化を容易に実現することができる。

この凹陥部２８の内径ｄとボール３０の中心径Ｄ（ＰＣＤ）との比はｄ／Ｄ≦０．７２とする。このように設定すれば、内輪２０の強度を表す指標である最大作動角時における内輪２０の内径部の最大応力値に十分余裕を持たせることができ、内輪２０の強度を容易に確保することができると共にその内輪２０の軽量化が図れる。なお、この凹陥部２８の内径ｄとボール３０の中心径Ｄとの比がｄ／Ｄ＞０．７２であると、内輪２０の強度を確保することが困難となる。

前述の凹陥部２８は、図６（ａ）〜（ｅ）に示す種々の形態のものが可能である。まず、同図（ａ）に示す形態の凹陥部２８ａは、内輪２０の反開口端側のスプライン孔２６の周縁部において、スナップリング６０が係止される段差部２７と連設されて軸方向と直交する方向に延びる第一のストレート面２８ａ_１と、その第一のストレート面２８ａ_１の最外端縁から軸方向と平行に延びる第二のストレート面２８ａ_２とで構成された形状を有する。同図（ｂ）に示す形態の凹陥部２８ｂは、第一のストレート面２８ｂ_１と第二のストレート面２８ｂ_２とをＲ曲面２８ｂ_３で繋いだ形状を有する。

同図（ｃ）に示す形態の凹陥部２８ｃは、内輪２０の反開口端側のスプライン孔２６のい周縁部において、スプライン孔２６の内径面から軸方向と直交する方向に対して傾斜して延びるテーパ面２８ｃ_１と、そのテーパ面２８ｃ_１の最外端縁から軸方向と平行に延びるストレート面２８ｃ_２とで構成された形状を有する。同図（ｄ）に示す形態の凹陥部２８ｄは、テーパ面２８ｄ_１とストレート面２８ｄ_２とをＲ曲面２８ｄ_３で繋いだ形状を有する。

同図（ｅ）に示す形態の凹陥部２８ｅは、内輪２０の反開口端側のスプライン孔２６の周縁部において、スナップリング６０が係止される段差部２７と連設されて軸方向と直交する方向に対して傾斜して延びるテーパ面２８ｅ_１で構成された形状を有する。

これら同図（ａ）〜（ｅ）に示す各形態のうち、同図（ａ）（ｂ）（ｅ）の形態では、図５に示すようにシャフト５０の軸端部に設けられた環状凹溝５１にストッパリング６０を嵌め込んだ状態でシャフト５０を内輪２０のスプライン孔２６に圧入し、そのストッパリング６０の弾性拡径により段差部２７に係止させることでシャフト５０を内輪２０に対して抜け止めしている。

この段差部２７では、ストッパリング６０と干渉する当接面を軸方向に対して傾斜させることにより、ストッパリング６０との干渉力の分力によりシャフト５０と内輪２０との軸方向ガタを低減すると共に、シャフト５０を引き抜く際には、そのストッパリング６０との干渉力の分力により、ストッパリング６０を縮径させることにより、内輪２０のスプライン孔２６からシャフト５０を抜脱可能としている。

このような段差部２７の機能は、同図（ｃ）（ｄ）に示す形態では、ストッパリング６０と干渉する当接面をテーパ面２８ｃ_１，２８ｄ_１とすることで発揮させることが可能である。その結果、同図（ｃ）（ｄ）に示す形態では、同図（ａ）（ｂ）（ｅ）に示すような段差部２７を設ける必要がない。

また、同図（ｂ）に示す形態の凹陥部２８ｂでは、第一のストレート面２８ｂ_１と第二のストレート面２８ｂ_２間にＲ曲面２８ｂ_３を設け、同図（ｄ）に示す形態の凹陥部２８ｄでは、テーパ面２８ｄ_１とストレート面２８ｄ_２間にＲ曲面２８ｄ_３を設けることで、凹陥部２８ｄでの内径ｄ（図５参照）を大きく設定することが可能となり、より一層の内輪２０の軽量化を実現できる。

つまり、同図（ａ）（ｃ）に示す形態の凹陥部２８ａ，２８ｃでは、ストレート面２８ａ_１とストレート面２８ａ_２の繋ぎ部分、テーパ面２８ｃ_１とストレート面２８ｃ_２の繋ぎ部分が角張っていることから、その部分での応力集中により内輪２０の強度を確保することが困難となる可能性があるため、凹陥部２８ａ，２８ｃでの内径を大きく設定することが困難となるおそれがある。これに対して、同図（ｂ）（ｄ）に示す形態の凹陥部２８ｂ，２８ｄでは、ストレート面２８ｂ_１とストレート面２８ｂ_２をＲ曲面２８ｂ_３で繋ぎ、テーパ面２８ｄ_１とストレート面２８ｄ_２をＲ曲面２８ｄ_３で繋いでいることから、その繋ぎ部分での応力集中を緩和することができるので、内輪２０の強度を確保することが容易となり、凹陥部２８ｂ，２８ｄでの内径を大きく設定することが容易となる。

対をなす外輪１０のトラック溝１４と内輪２０のトラック溝２４とで構成されるトラックは、外輪１０のマウス部１６の奥側から開口端側に向かって径方向間隔が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、図２に白抜き矢印で示すように、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力が作用する。この力によってボール３０からケージ４０のポケット４６の壁面に作用する荷重をポケット荷重と呼ぶ。

外輪１０と内輪２０が最大作動角θをとったとき、ポケット荷重により外輪１０のマウス部１６の開口端１８からボール３０が飛び出すことを防止するため、ケージ４０のポケット４６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３０の中心軌跡半径値、すなわち、作動角０°時における外輪１０のトラック溝１４の曲率中心Ｏ_１または内輪２０のトラック溝２４の曲率中心Ｏ_２とボール３０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１０および内輪２０の両トラック溝１４，２４をテーパ状とすれば、最大作動角の高角化と共に、外輪１０のトラック溝１４におけるボール３０との接触長さを確保することができるので、外輪１０と内輪２０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３０が最も飛び出そうとする位相（位相角φ＝０°）（図３および図４参照）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１０と内輪２０の高角域での作動において有利である。ここで、トラック荷重とは、接触するボール３０からトラック溝１４，２４が受ける荷重を意味する。

また、ケージ４０の外球面４２は外輪１０の内球面１２に接触案内され、ケージ４０の内球面４４は内輪２０の外球面２２に接触案内され、トルク伝達時にケージ４０と外輪１０または内輪２０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。

外輪１０および内輪２０の両トラック溝１４，２４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１４，２４のテーパ角度α（図１および図２参照）の範囲を絞り込んで最適設定した。

まず、トラック溝１４，２４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３０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３０の位相、つまり、ボール３０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３および図４参照）。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。

表１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３０が最も奥に入る位相（位相角φ＝１８０°付近）で外輪１０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４０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３０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１０の開口端１８でありその肉厚が小さくなるため、トラック溝１４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７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。トラックオフセットを設けていると、外輪１０のトラック溝１４の円弧部分１４ａ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１４の最奥部に位置するボール３０の乗り上げが生じる可能性がある。

そこで、外輪１０のトラック溝１４の曲率中心Ｏ_１をその内球面１２の曲率中心Ｏ_４に一致させ、かつ、内輪２０のトラック溝２４の曲率中心Ｏ_２をその外球面２２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１０のトラック溝１４の円弧部分１４ａ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１４の最奥部に位置するボール３０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３０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３０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８の斜線領域内に設定されていれば、ボール３０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８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３０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、この実施形態では、ボール３０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４０の厚肉部４１を外輪１０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３０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９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。

本発明に係る固定式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、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。 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。 ケージに収容されたボールの位相を示す断面図である。 図１の等速自在継手における内輪にシャフトをスプライン嵌合により連結し、スナップリングで抜け止めした状態を示す要部拡大断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は内輪のスプライン孔の周縁部に形成した凹陥部の各種形態を示す要部断面図である。 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。 固定式等速自在継手の従来例を示す断面図である。 図１０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）はアンダーカットフリー型等速自在継手（ＵＪ）における内輪を示す要部断面図、（ｂ）は図１０の等速自在継手における内輪を示す要部断面図である。

符号の説明

１０ 外側継手部材（外輪）
１２ 外側継手部材（外輪）の内球面
１４ 外側継手部材（外輪）のトラック溝
２０ 内側継手部材（内輪）
２２ 内側継手部材（内輪）の外球面
２４ 内側継手部材（内輪）のトラック溝
２６ 軸孔（スプライン孔）
２８ 凹陥部
２８ａ〜２８ｅ 凹陥部
３０ ボール
４０ ケージ
４６ ポケット
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

Claims (5)

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、ケージの縦断面において、外側継手部材の開口端側を厚肉にすると共にその反開口端側を薄肉にし、
   前記外側継手部材のトラック溝の開口端側溝底を、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反開口端側溝底を、その反開口端側に向けて直線的に拡径したテーパ状とし、
   前記内側継手部材の前記反開口端側の軸孔周縁部に凹陥部を形成したことを特徴とする固定式等速自在継手。
2. 前記凹陥部の内径ｄとボールの中心径Ｄとの比を、ｄ／Ｄ≦０．７２とした請求項１に記載の固定式等速自在継手。
3. 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又は２に記載の固定式等速自在継手。
4. 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１〜３のいずれか一項に記載の固定式等速自在継手。
5. 前記ボールの個数を８個とした請求項１〜４のいずれか一項に記載の固定式等速自在継手。

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