JP2008019906A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】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】クロスグルーブ型等速自在継手16は、軸線に対して角度をなすトラック22を外周面に形成した内輪20と、内輪20のトラック22とは逆方向に軸線に対して角度をなすトラック32を内周面に形成した外輪30と、対をなす内輪20のトラック22と外輪30のトラック32が交差する位置に組み込んだトルク伝達ボール40と、内輪20の外周面と外輪30の内周面との間に介在してトルク伝達ボール40を保持するケージ50とを有し、ケージ50のポケット52部分を液中で高周波焼入れしてある。
【選択図】図１

Description

この発明は、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、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、対をなす内輪のトラックと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、内輪の外周面と外輪の内周面との間に介在して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 特開平０４−２９７５５２号公報 特開２００６−８３９６２号公報

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。従来のクロスグルーブ型等速自在継手の内外輪トラック交差角では、トラックでボールの飛び出しを拘束することができず、ケージがボールの飛び出しを拘束する役目を果たしている。

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。このため、たとえば特許文献２に記載されているように、クロスグルーブ型等速自在継手などボールタイプの等速自在継手のケージは炭素量０．２の合金鋼を浸炭焼入れ焼戻ししている。

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、６個のボールを用いたものが知られているが、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、ボール数が６個を越えるもの、たとえば特許文献３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やすと、ＰＣＤが大きくなるの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熱処理すると変形や歪が発生するという問題があった。変形や歪が大きいとその後の研削仕上加工の取りしろが多くなって必要以上に加工時間を費やしたり、また、変形や歪の度合いによっては研削後の良品の採取率が悪化したりして、生産性が損なわれ、結果的に製品の高コストに繋がるといった欠点もあった。

この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を除去し、ケージのポケット部の寸法精度を向上させることにある。

この発明は、クロスグルーブ型等速自在継手のケージを、液中でポケット部のみ高周波焼入れすることによって課題を解決したものである。すなわち、この発明の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、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、対をなす内輪のトラックと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、内輪の外周面と外輪の内周面との間に介在してトルク伝達ボールを保持するケージとを有し、ケージのポケットを液中で高周波焼入れしたことを特徴とするものである（請求項１、請求項５）。

この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、ケージ材料としてＣ量が０．５％を越える機械構造用炭素鋼を用いた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。

この発明によれば、ケージのポケット部を液中で高周波焼入れすることで、浸炭焼入れに比べて熱処理変形が抑制される。そして、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が向上し、コスト低減が図れる。また、熱処理変形が抑制されることで、後工程の研削加工の対象部位であるポケット部が均一な硬化深さが得られ、ケージの耐久性が高まる。請求項４の発明のようにケージ材料を調質することで組織が安定し、機械的強度特性が安定し、ケージの柱や窓枠の安定した強度を確保できる。

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３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、クロスグルーブ型等速自在継手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型等速自在継手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の転動範囲がスペーサ７６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。

図６に示すように、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。ケージ５０は、素材を切削加工した後、打ち抜き加工によりポケット５２を形成する。その後、ポケット５２を１箇所ずつ液中で高周波焼入れする。このように、ポケット部に液中で高周波焼入れを施すことにより、従来の浸炭焼入れ品に比べてポケットの歪や変形が大幅に減少し、大口径薄肉ケージのポケット精度確保と定・低変形による後工程における歪修正や研削加工工数削減が実現する。

図７に、１８個ボールの薄肉大口径の多数個ボールクロスグルーブ型等速自在継手用ケージにつき、浸炭焼入れしたもの（比較例）と、液中高周波焼入れしたもの（実施例）の、ポケットの窓枠の寸法ばらつき（最大値と最小値の差）を示す。サンプル１〜４のいずれも、比較例に比べて実施例が大幅にばらつき幅が減少していることが判る。

ケージ５０の材料としては、高周波焼入れによってポケット部にＨＲＣ５８以上の表面硬さを確保するため、Ｃ量０．５５％の機械構造用炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）を用いるのが好ましい。また、ＨＲＣ２０〜３０の硬さ調質（ソルバイト組織）を施すのが好ましい。調質は主として鋼の結晶粒を微細にして材質を調整し、粘性、靭性を向上させること及び加工歪や高周波による熱処理歪の定・低変形を目的としており、処理方法は焼入れ後の４００℃〜６００℃程度の高温で焼戻しを行う。焼戻し温度によって硬さを調整することが可能で、たとえば、ＨＲＣ２０〜３０の硬さが得られるような処理とすることで調質後の旋削加工が容易となる。ケージ材料として、Ｓ５５Ｃに代えて、ＨＲＣ５８の焼入れ表面硬さを確保できるＣ量０．４５％を越える、たとえばクロームモリブデン鋼（ＳＣＭ４４５）を採用してもよい。

この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 （Ａ）はケージの側面図、（Ｂ）は半断面図、（Ｃ）はポケットの断面図 窓枠寸法のばらつきを示すグラフ

符号の説明

１６ クロスグルーブ型等速自在継手
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
７２ Ｏリング
７４ ボルト・ナット
７６ スペーサ
７８ 止め輪

Claims (5)

1. 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、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、対をなす内輪のトラックと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、内輪の外周面と外輪の内周面との間に介在してトルク伝達ボールを保持するケージとを有し、ケージのポケットを液中で高周波焼入れしたクロスグルーブ型等速自在継手。
2. 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。
3. ケージ材料としてＣ量が０．５％を越える機械構造用炭素鋼を用いた請求項１のクロスグルーブ型等速自在継手。
4. 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。
5. ケージのポケットを液中で高周波焼入れすることからなる請求項１のクロスグルーブ型等速自在継手のケージの製造方法。

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