JP2007298096A - 等速ジョイント - Google Patents

Abstract

【課題】ボール、ニードルローラの表面に緻密なセラミックス被膜を形成し、優れた耐焼付き性を有するともに、低コストな等速ジョイントを提供する。
【解決手段】円周等配位置から半径方向に延びた３つの脚部１１ａにセラミックス被膜１０が形成された複数のニードルローラ１５を介してスフェリカルローラ１３を装着したトラニオン部材１１を、内壁面の円周等配位置に３対の軸方向の案内溝を形成した外輪に収容し、案内溝とスフェリカルローラ１３の球面との接触部を介してトルク伝達を行なう等の等速ジョイントであって、セラミックス被膜１０は、複数のニードルローラが入れられた密閉容器内にセラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを導入し、該密閉容器を振動させて、エアロゾルの存在下で該ニードルローラ同士を衝突または摺接させ、あるいは、該ニードルローラを容器壁と衝突または摺接させることで形成される。
【選択図】図４

Description

本発明は自動車や各種産業機械において動力伝達に用いられる等速ジョイントに関する。

等速ジョイントには、大別して、駆動軸と従動軸との間の角度変位のみを許容する固定型と、角度変位および軸方向変位を許容する摺動型とがある。固定型の等速自在継手としては、ボールフィックスジョイント、アンダーカットフリージョイント等があり、いずれもボールをトルク伝達部材として用いるものである。また、摺動型の等速自在継手としては、ボールをトルク伝達部材として用いるダブルオフセットジョイント、クロスグルーブジョイント、トリボールジョイント、スフェリカルローラをトルク伝達部材として用いるトリポードジョイント等がある。これらの等速ジョイントにおいて、駆動軸と従動軸との間のトルク伝達は、ボールと内・外輪との接触部、あるいは、スフェリカルローラと外輪との接触部を介してなされる。

近年エンジン高出力による高トルク化およびサイズのコンパクト化の要求から、等速ジョイントの高負荷・高面圧化対応が求められ、発熱対策や焼付き防止の措置が必要になってきている。これらの対策に、ボール、ニードルローラ等の転動体をセラミックス製にすることも考えられるが、この対策案は非常に高コストとなるため採用に至っていない。
また、ボール、ニードルローラ等の転動体の表面にセラミックス被膜を形成する方法として、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の薄膜形成法が知られている（非特許文献１参照）が、これらのセラミックス被膜形成法は、いずれも成膜に必要となる時間が長く、かつ、生産性が非常に悪いものであった。
トライボロジーハンドブック 養賢堂刊 P497〜501

本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、優れた耐焼付き性を有するとともに、低コストな等速ジョイントを提供することを目的とする。

本発明の等速ジョイントは、内周面に軸方向の案内溝を形成した外輪と、外周面に軸方向の案内溝を形成した内輪と、外輪の案内溝と内輪の案内溝との間に介在する複数の金属製転動体と、内輪の外周面と外輪の内周面とに接触案内されて金属製転動体を保持する保持器とからなり、内・外輪の案内溝と金属製転動体との接触部を介してトルク伝達が行なわれる等速ジョイントであって、上記複数の金属製転動体が入れられた密閉容器内にセラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを導入し、該密閉容器を振動させて、エアロゾルの存在下で該金属製転動体同士を衝突または摺接させ、あるいは、該金属製転動体を容器壁と衝突または摺接させることで、上記金属製転動体の表面にセラミックス被膜を形成することを特徴とする。また、上記金属製転動体は、軸受鋼製であることを特徴とする。

本発明の他の形態の等速ジョイントは、内壁面の円周等配位置に３対の軸方向の案内溝を形成した外輪と、円周等配位置から半径方向に延びた３つの脚部に複数のニードルローラを介してスフェリカルローラを装着したトラニオン部材とからなり、外輪の案内溝とスフェリカルローラとの接触部を介してトルク伝達が行なわれる等速ジョイントであって、上記複数のニードルローラが入れられた密閉容器内にセラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを導入し、該密閉容器を振動させて、エアロゾルの存在下で該ニードルローラ同士を衝突または摺接させ、あるいは、該ニードルローラを容器壁と衝突または摺接させることで、上記ニードルローラの表面にセラミックス被膜を形成することを特徴とする。また、上記ニードルローラは、軸受鋼製であることを特徴とする。

また、上記の金属製転動体、ニードルローラのセラミックス被膜を形成するためのセラミックス微粒子は、窒化ケイ素の微粒子であることを特徴とする。

本発明の等速ジョイントは、該ジョイントの摺動部を構成するボール、ニードルローラ等の金属製転動体の表面に、エアロゾルの存在下において、金属製転動体に衝突または摺接等の機械的衝撃力を連続的に付加することによりセラミックス微粒子が積層されて緻密なセラミックス被膜が形成されているので、優れた耐焼付き性を有する。また、セラミックス被膜を形成する原料として窒化ケイ素を用いることにより、摩擦摩耗特性に優れる。
ボールやニードルローラの母材として軸受鋼を使用できることから、母材としてセラミックス等を使用する場合よりも低コストとなる。また、被膜形成工程は、常温で機械的衝撃を連続的に加えるのみであり、金属製転動体の前処理等も不要であるため、溶射法、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等と比較して低コストであり、かつ、生産性にも優れる。

本発明の一実施例に係る等速ジョイントを図１に基づいて説明する。図１は、ボールをトルク伝達部材として用いる固定型の等速ジョイントの断面図である。
図１に示すように等速ジョイント４は、外周面１ｂに軸方向の案内溝１ａを形成した内輪１と、内周面２ｂに軸方向の案内溝２ａを形成した外輪２と、案内溝１ａ、２ａ間に介在し、案内溝１ａ、２ａとの接触部を介してトルクを伝達する金属製転動体であるボール３と、内輪１の外周面１ｂと外輪２の内周面２ｂとに接触案内されてボール３を作動角の角度２等分面内に保持する保持器５とを主要な構成要素とする。そして、一般に等速ジョイントの外輪２は、ステム６のセレーションでトルクの伝達を行なう。また、外輪２の開口部にはブーツ７を装着してある。
ボール３周辺の部分横断面図を図２に拡大して示す。図２に示すように、金属製転動体である各ボール３の外表面に後述する方法によりセラミックス被膜１０が形成されている。ボール３は、例えば、軸受鋼等の金属材からなる。

本発明の他の実施例に係る等速ジョイントを図３に基づいて説明する。図３は、スフェリカルローラをトルク伝達部材として用いるトリポード型の等速ジョイントの断面図である。
図３に示すようにこの等速ジョイントは、円周等配位置から半径方向に延びた３つの脚部１１ａに複数のニードルローラ１５を介してスフェリカルローラ１３を装着したトラニオン部材１１を、内壁面の円周等配位置に３対の軸方向の案内溝を形成した外輪１２に収容し、案内溝とスフェリカルローラ１３の球面との接触部を介してトルク伝達を行なうものである。トラニオン部材１１は軸１６にスプライン結合され、外輪１２の開口部はブーツ１７で被覆されている。
トラニオン部材１１の水平方向断面図を図４に拡大して示す。図４に示すように、スフェリカルローラ１３は、円周状に配置された複数のニードルローラ１５を介して脚部１１ａに装着されている。この各ニードルローラ１５の外表面に後述する方法によりセラミックス被膜１０が形成されている。ニードルローラ１５は、例えば、軸受鋼等の金属材からなる。

本発明において、ボールまたはニードルローラの外表面にセラミックス被膜を形成する方法を図５に基づいて説明する。図５は一例としてボールを対象とするセラミックス被膜形成装置の構成を示す図である。
図５に示すように、セラミックス被膜形成装置１８は、被膜形成部１９とエアロゾル発生部２０とを備えてなる。被膜形成部１９は、ボール３を入れる密閉容器２１と、この密閉容器２１を振動させるクランク、振動モータ等の振動手段２２とからなる。エアロゾル発生部２０は、容器内に収容されたセラミックス微粒子を、ガス供給設備２４より供給される不活性ガス等のガス中に分散させてエアロゾルを発生させる。密閉容器２１は、真空ポンプ２３等により減圧下に保たれ、エアロゾル発生部２０からエアロゾルが導入される。
エアロゾル発生部２０から被膜形成部１９の密閉容器２１に導入された粗大な凝集状態にあるエアロゾルセラミックス微粒子は、ボール３および密閉容器２１の壁面との衝突により解砕および粉砕される。その原理は、粉砕媒体となりうるボール３同士、あるいは、密閉容器２１の壁面とボール３との摺接による摩擦力と、衝突による衝撃力である。
振動手段２２による密閉容器２１の振動に伴い、ボール３がランダムに摺動・衝突し合う密閉容器２１の内部にエアロゾル状態で導入された粗大な凝集状態にあるセラミックス微粒子塊は、上述したように解砕されて１次粒子になり、さらに粉砕されながら以下に示す成膜原理によりボール３の表面上で成膜・膜成長してゆき、セラミックス被膜１０が形成される。
なお、さらに成膜効率を上げるために、図６に示すように被膜形成部１９において、同径または異径のセラミックス製転動体３ａを媒体として密閉容器２１の内部に共存させて成膜してもよい。

本発明における成膜原理を以下に説明する。自由電子をほとんど持たない共有結合性あるいはイオン結合性が強い原子結合状態にあることで硬度は高いが衝撃に弱い脆性材料である、セラミックス超微粒子は、通常いくつかの結晶子が集まった多結晶体からできている。
このセラミックス超微粒子が、金属表面等に非常に高速で衝突した場合、その運動エネルギーによって発生する衝撃でさらに細かく破砕され、例えば、結晶子同士の界面などの壁界面に沿って結晶格子のずれを生じたり、あるいは破砕されたりする現象が起こり、もともと内部に存在していたズレ面や破面は原子が剥き出しの状態となり、すなわち新生面が形成される。
その新成面の原子一層の部分は、もともと安定した原子結合状態から外力により強制的に不安定な状態にさらされ表面エネルギーが高い状態となる。つまりセラミックス超微粒子への機械的衝撃力の付加により表面エネルギーが極度に大きな微細断片粒子が多数生成する。
この高活性の新生面が、隣接した脆性材料表面や同じく隣接した脆性材料の新生面あるいは基板表面と接合して安定状態に移行することで、微細断片粒子表面同士が生成後瞬時に基材と接着あるいは互いに再結合し、焼成を行った場合と類似した緻密質のセラミックス構造物を形成する。あるいは、衝突の衝撃により粒子がへき開面に沿って変形して、粒子の一部に新生面を形成し、次いで衝突してきた粒子と再結合したり、粒子間の空孔を埋めて緻密化する。
さらに、外部からの連続した機械的衝撃力の付加により、上記現象を継続的に発生させ、微粒子の変形・破砕等の繰返しにより接合の進展、それによって形成された構造物の緻密化・成長が行われ脆性材料の構造物が金属表面上に形成される。

エアロゾル発生部２０は、原料となるセラミックス微粒子を不活性ガス等のガス中に分散させたエアロゾルを発生させる構成部位であり、エアロゾルデポジション法（以下、ＡＤ法と記す）に使用される周知のエアロゾル発生装置等を利用できる。例えば、セラミックス微粒子を容器内に収容し、これに振動装置２０ａ等により機械的振動作用を与えて微粒子を攪拌するとともに、ガス供給設備２４より不活性ガスを微粒子に吹き付けて微粒子を気流中に舞い上がらせてエアロゾルとする。エアロゾル発生部２０で使用可能な不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等が挙げられる。

本発明においてセラミックス被膜１０を形成するためのエアロゾル原料となるセラミックス微粒子としては、耐焼付き性、耐摩耗性等に優れ、被膜形成可能なものであれば、任意のセラミックス微粒子を使用できる。例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物、炭化ケイ素、窒化ケイ素等の微粒子が挙げられる。これらの中で、摩擦摩耗特性に優れる窒化ケイ素の微粒子を用いることが好ましい。
なお、原料粉は被膜形成部１９において機械的衝撃力により微細な微粒子に解砕されるので、原料調整時における粒子径等は特に限定されない。

密閉容器２１の容積および材質は、複数のボールまたはニードルローラの合計体積と密閉容器容積との比が、1/5 〜 1/3 程度とすることが好ましい。ボール等と容器壁との衝突時において、コンタミを防ぐため、密閉容器２１の材質は、ボールおよびニードルローラよりも硬い、または、同種材とすることが好ましい。
密閉容器２１は、エアロゾル発生部２０からのエアロゾルを導入するため、真空ポンプ２３等により減圧下に保たれる。エアロゾルは不活性ガスを媒体としているので、減圧下の密閉容器内は完全な不活性ガス雰囲気となり、成膜時の新生面における酸素接触による酸化や水分の吸着、粒子間の凝集等が回避される。

実施例
摺動型ジョイントであるトリポートジョイント（ 95 サイズ）にセラミックス被膜を形成したニードルローラを組込み、市販の二硫化モリブデングリース（協同油脂製、モリレックスＭＰ）を潤滑剤として封入して試験用等速ジョイントとした。
セラミックス被膜は以下のように形成した。図５に示すセラミックス被膜形成装置を用い、数Ｔｏｒｒに減圧され、ＳＵＪ２製ニードルローラが仕込まれたクランクによる縦型振動式のアルミナ製密閉容器（内容積 1000 cc）に、窒化ケイ素微粒子（宇部興産社製ＳＮ−Ｅ１０：平均粒径 0.55μm ）を原料とするエアロゾルをエアロゾル発生部から導入しながら密閉容器を、振動数 10 Hz、ストローク 50 mm の振動条件で加振しながらニードルローラ表面に成膜処理した。なお、このとき窒化ケイ素製ボールも容積比で 1：1 の割合で密閉容器中に仕込んだ。トータルのローラ容積は、密閉容器の内容積の 1/3 以下となるようにした。エアロゾル搬送ガスとしては、ヘリウムガス（太陽日酸社製 純ヘリウムＧ１）使用した。処理時間は 1 時間とした。ニードルローラの外表面に窒化ケイ素のセラミックス被膜が 20μm の厚さで形成できた。

比較例
摺動型ジョイントであるトリポートジョイント（ 95 サイズ）にセラミックス被膜を形成していないニードルローラを組込み、市販の二硫化モリブデングリース（協同油脂製、モリレックスＭＰ）を潤滑剤として封入して試験用等速ジョイントとした。

得られた実施例および比較例の試験用等速ジョイントについて下記条件により台上耐久試験を行なった。
回転数：200 rpm
トルク：125 kgf・m
角度：5°
試験の結果、実施例の等速ジョイントは、500 時間経過後もフレーキングが発生していなかった。これに対し、比較例の等速ジョイントは、100 時間にフレーキングの不具合があった。

本発明の等速ジョイントは、転動体やニードルローラの表面に緻密なセラミックス被膜が形成されているので、優れた耐焼付き性を有するともに低コストであり、例えば、高速で回転する自動車のドライブシャフトに組込まれる自動車用の等速ジョイントとして好適に利用できる。

本発明の一実施例に係る等速ジョイントの断面図である。 図１の部分拡大横断面図である。 本発明の他の実施例に係る等速ジョイントの断面図である。 図３の部分拡大水平断面図である。 セラミックス被膜形成装置を示す図である。 被膜形成部における他の態様を示す図である。

符号の説明

１ 内輪
１ａ 案内溝
１ｂ 外周面
２ 外輪
２ａ 案内溝
２ｂ 内周面
３ ボール
４ 等速ジョイント
５ 保持器
６ ステム
７ ブーツ
８ シャフト
９ ブーツバンド
１０ セラミックス被膜
１１ トラニオン部材
１１ａ 脚部
１２ 外輪
１３ スフェリカルローラ
１５ ニードルローラ
１６ 軸
１７ ブーツ
１８ セラミックス被膜形成装置
１９ 被膜形成部
２０ エアロゾル発生部
２１ 密閉容器
２２ 振動手段
２３ 真空ポンプ
２４ ガス供給設備

Claims (5)

1. 内周面に軸方向の案内溝を形成した外輪と、外周面に軸方向の案内溝を形成した内輪と、外輪の案内溝と内輪の案内溝との間に介在する複数の金属製転動体と、内輪の外周面と外輪の内周面とに接触案内されて金属製転動体を保持する保持器とからなり、内・外輪の案内溝と金属製転動体との接触部を介してトルク伝達が行なわれる等速ジョイントであって、
   前記複数の金属製転動体が入れられた密閉容器内にセラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを導入し、該密閉容器を振動させて、エアロゾルの存在下で該金属製転動体同士を衝突または摺接させ、あるいは、該金属製転動体を容器壁と衝突または摺接させることで、前記金属製転動体の表面にセラミックス被膜を形成することを特徴とする等速ジョイント。
2. 前記金属製転動体は、軸受鋼製であることを特徴とする請求項１記載の等速ジョイント。
3. 内壁面の円周等配位置に３対の軸方向の案内溝を形成した外輪と、円周等配位置から半径方向に延びた３つの脚部に複数のニードルローラを介してスフェリカルローラを装着したトラニオン部材とからなり、外輪の案内溝とスフェリカルローラとの接触部を介してトルク伝達が行なわれる等速ジョイントであって、
   前記複数のニードルローラが入れられた密閉容器内にセラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを導入し、該密閉容器を振動させて、エアロゾルの存在下で該ニードルローラ同士を衝突または摺接させ、あるいは、該ニードルローラを容器壁と衝突または摺接させることで、前記ニードルローラの表面にセラミックス被膜を形成することを特徴とする等速ジョイント。
4. 前記ニードルローラは、軸受鋼製であることを特徴とする請求項３記載の等速ジョイント。
5. 前記セラミックス微粒子は、窒化ケイ素の微粒子であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載の等速ジョイント。

Images