JP2008025641A - 等速自在継手 - Google Patents

Abstract

【課題】高い強度を有し、かつ作動性や耐久性に優れる小型の等速自在継手を提供する。
【解決手段】球面状の内周面に軸方向へ延びる複数の案内溝２ｂが設けられた外側部材２と、球面状の外周面に軸方向へ延びる複数の案内溝３ｂが設けられた内側部材３と、対をなす案内溝２ｂ、３ｂで形成されるボールトラックに配したトルク伝達ボール４と、トルク伝達ボール４を保持する保持器５とを備え、外側部材２の案内溝２ｂの球面中心Ｏ_ＴＯと内側部材３の案内溝３ｂの球面中心Ｏ_ＴＩとが継手中心から軸方向に互いに逆向きにオフセットされた固定式等速自在継手において、外側部材２の案内溝２ｂの球面中心Ｏ_ＴＯ、継手平面ＰとＰＣＤの交差点Ｑ、および内側部材３の案内溝３ｂの球面中心Ｏ_ＴＩで形成されるオフセット角φ_Ｔを、１１．０°≦φ_Ｔ≦１５．０°に設定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、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等速自在継手に関するもので、より詳しくは、駆動側の回転軸と従動側の回転軸とがどのような角度（作動角）をとっても常に滑らかにトルク伝達を行えるようにした等速自在継手のうち、軸方向にスライド（プランジング）しない、いわゆる固定式の等速自在継手に関する。

自動車のドライブシャフト等で使用されているＢＪ（ボール・フィクスト・ジョイント）１は、図２および図３に示すように、外輪２、内輪３、トルク伝達ボール４、保持器５から構成される。外輪２と内輪３との間に保持器５が介在し、保持器５は、外輪２の球面状内周面２ａおよび内輪３の球面状外周面３ａとそれぞれ球面接触している（例えば、特許文献１参照）。

外輪２の内周面２ａと内輪３の外周面３ａにそれぞれ複数の曲線状の案内溝２ｂ，３ｂが形成されており、外輪２と内輪３の案内溝２ｂ，３ｂの球面中心Ｏ_ＴＯ，Ｏ_ＴＩはそれぞれ継手中心Ｏ（外輪の球面状内周面２ａおよび内輪の球面状外周面３ａの球面中心に同じ）に対して対称な位置にある。換言すれば、球面中心Ｏ_ＴＯと球面中心Ｏ_ＴＩは継手中心Ｏから逆方向に等距離、軸方向にオフセットされている。このため、外輪２の案内溝２ｂと内輪３の案内溝３ｂとで形成されるボールトラックは、軸方向の一方から他方へ向かって徐々に広がったくさび状を呈する。各トルク伝達ボール４はこのくさび状のボールトラック内に収容され、外輪２と内輪３との間で負荷を伝達する。すべてのトルク伝達ボール４を継手平面Ｐ（作動角の二等分線に垂直な平面）に保持するため、保持器５が組み込まれている。

案内溝２ｂ，３ｂにオフセットが付与されているため、トルク伝達ボール４が負荷を伝達する時、各トルク伝達ボール４に軸力が作用し、その結果トルク伝達ボール４は、案内溝２ｂ，３ｂの開口している方向、つまり、上記くさび状トラック空間の広がった方向に飛び出そうとする。それに伴い保持器５にも軸力が作用し、保持器５は外輪２の球面状内周面２ａと内輪３の球面状外周面３ａに強く押し当てられる。
特開平８−１２８４５４号公報

以上のように、案内溝２ｂ，３ｂがオフセットを有するため、両案内溝の深さは軸方向で均一でない。それゆえ、案内溝の浅いところでトルク伝達ボール４が高負荷を伝達する時（大きな作動角をとった時）、トルク伝達ボール４との接触による接触楕円が大きくなり、応力が集中する案内溝肩部に接触楕円が乗り上げ、肩部に欠けが生じるおそれがある。この対策として、トルク伝達ボール４の径やピッチ円直径（ＰＣＤ）を大きくして面圧を低下させることが考えられるが、外輪２の外径が増加して等速自在継手が大きくなるという不都合が生じる。

そこで、本発明は、高い強度を有し、かつ作動性や耐久性に優れる小型の等速自在継手の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、ボールトラックのオフセット角を１１．０°〜１５．０°に設定した。

ここでオフセット角φ_Ｔは、図１に示すように、外側部材２の案内溝２ｂの球面中心Ｏ_ＴＯ、継手平面ＰとＰＣＤの交差点Ｑ、および内側部材３の案内溝３ｂの球面中心Ｏ_ＴＩで形成される∠Ｏ_ＴＯＱＯ_ＴＩを意味する。従来では、このオフセット角φ_Ｔを１６．０°〜１７．０°程度に設定しているが、本発明では、これよりも小さいオフセット角φ_Ｔ、すなわち１１．０°≦φ_Ｔ≦１５．０°とした。

オフセット角φ_Ｔを小さくした場合、図１に示すように案内溝２ｂ，３ｂの深さは従来品に比べて軸方向でより均一に近くなる（従来品の案内溝を破線で示す）。この場合、案内溝の浅い所では従来品よりも溝深さが深くなるので、高負荷下においても案内溝肩部に接触楕円が乗り上げにくくなり、肩部の欠け等を防止して案内溝の高強度化、耐久性の向上を図ることができる。また、保持器の肉厚を厚くすることもできるので、保持器の高強度化や長寿命化も達成される。図１は案内溝２ｂ，３ｂの最も浅いところで溝深さを従来品と同程度にとった場合を示しており、この場合、保持器の肉厚を従来の保持器（破線で示す）よりもかなり厚くすることができる。従って、等速自在継手の大型化を避けつつ、継手全体の負荷容量や耐久寿命の向上を図ることができる。

その一方、オフセット角が小さすぎると、逆に耐久性や強度が低下したり、あるいは作動性に問題を生じることが懸念される。

そこで、望ましいオフセット角φ_Ｔの範囲を見出すべく、ＢＪについて十字作動性、耐久性、および準静捩り強度を比較する試験を行った。十字作動性は、対向するボールトラックを含む平面内でシャフトを最大作動角まで折り曲げ、次に当該平面と垂直な平面内で同様にシャフトを折り曲げた際のロックの有無で評価した。また、耐久性は、負荷トルク：８３４Ｎ・ｍ（８５ｋｇｆ・ｍ）、回転数：２３０ｒｐｍ、作動角：６°の条件下で評価し、準静捩り強度は、作動角：４０°、回転数：２．５ｒｐｍ、負荷トルクの増加率０．０５ｋＮ・ｍ／ｒｅｖの条件下で評価した。試験結果を図４に示す。なお、図４中の×は「問題あり」を、△は「劣る」を、○は「普通」を、◎は「良」をそれぞれ表わす（以下の説明において同じ）。

図４より、オフセット角が１１．０°より小さいと、十字特性、耐久性、および準静捩り強度の全ての面で問題があり、オフセット角が１５．０°よりも大きいと耐久性および強度面で劣ることが理解できる。従って、等速自在継手の作動性、耐久性、および強度を同時に満足するためには、オフセット角φ_Ｔを１１．０°以上で１５．０°以下に設定するのがよい。

ＵＪ（アンダーカットフリージョイント）についても、上記同様に十字作動性、耐久性、および準静捩り強度を比較する試験を行った。試験条件は、準静捩り強度試験を作動角５０°で行った点を除き、図４のＢＪの試験と同じである。保持器のオフセット角φ_Ｃは１．８°に設定した。

試験結果を図５に示す。同図より、ＵＪにおいてもボールトラックのオフセット角φ_Ｔを１１．０°以上で１５．０°以下に設定すれば、等速自在継手の作動性、耐久性、および準静捩り強度を同時に満足できることが判明した。

ＵＪの保持器のオフセット角φ_Ｃは、０°よりも大きく、かつ３．０°以下とするのが望ましい。０°を越えるオフセット角φ_Ｃは、許容作動角と保持器の強度を確保するために必要とされる。一方、φ_Ｃが３．０°を越えると、発熱が著しく増加し、ボールトラックの深さが減少して却って寿命の低下を招く。ここで、保持器のオフセット角φ_Ｃは、図８に示すように、保持器５の外周面５ａの球面中心Ｏ_ＣＯ、継手平面ＰとＰＣＤの交差点Ｑ、および保持器５の内周面５ｂの球面中心Ｏ_ＣＩで形成される∠Ｏ_ＣＯＱＯ_ＣＩを意味する。球面中心Ｏ_ＣＯと球面中心Ｏ_ＣＩは、継手中心Ｏから逆方向に等距離、軸方向にオフセットされ、かつそのオフセット量はボールトラックの球面中心Ｏ_ＴＯ、Ｏ_ＴＩのオフセット量よりも小さい。

外側部材は、通常、鍛造（例えば冷間鍛造）後、熱処理（高周波焼入れ等）し、さらに所定寸法に仕上げるための仕上げ加工（研削等）を施すことによって製造される。本発明によれば、上記のように保持器５の耐久性を向上させ得るため、外側部材２の球面状内周面２ａおよび案内溝２ｂの何れか一方において、研削等の仕上げ加工を省略し、鍛造表面（鍛造肌）のままで使用しても継手全体の耐久性に特に問題は生じないと考えられる。

これを実証すべく、外側部材の内周部の研削の有無が耐久性に与える影響について比較試験を行ったところ、以下の結果を得た。

表１から明らかな通り、ボールトラックのオフセット角φ_Ｔを１１．０°および１５．０°として、外側部材２の内周部（球面状の内周面２ａおよび案内溝２ｂの双方）の研削を省略した発明品１，２は、オフセット角φ_Ｔを１６．０°とした比較品１，２の何れと比べても（比較品１は上記内周部の研削有り、比較品２は上記内周部の研削無し）、耐久性の向上が認められる。従って、オフセット角φ_Ｔを上記範囲にとった場合、外側部材２の内周部（内周面２ａおよび案内溝２ｂの少なくとも何れか一方）の研削が省略可能となり、加工工程の簡略化によるコストダウンを達成することができる。

ボールトラックのオフセット角φ_Ｔが大きい場合には、トルク伝達ボール４が上記くさび状トラック空間の広がった方向に飛び出そうとする力（軸力）が大きくなり、トルク伝達ボール４が保持器５やボールトラック等と衝突する音（打音）が大きくなる。従来では、トルク伝達ボール４を保持器５のポケット５１内に圧入し、両者間を負隙間とすることにより、トルク伝達ボール４を継手平面Ｐに確実に保持することとして打音の軽減を図っている。ところが、トルク伝達ボールを圧入した場合、予圧負荷状態でトルク伝達ボール４が保持器５のポケット５１内を運動するため、発熱と保持器５の摩耗とを伴う。また、等速自在継手の折り曲げ抵抗が増大するため、人手では折り曲げが難しく、車両等に組み付ける際に労力を要する場合もある。

これに対し、オフセット角φ_Ｔを従来品よりも小さくすれば、上記軸力が弱まるため、ポケットとトルク伝達ボール４との間の締め代を正隙間とすることができると考えられる。

表２は、オフセット角φ_Ｔの大小と打音発生の有無との関係を調べたもので、この結果からも明らかなように、オフセット角φ_Ｔを従来品と同等（φ_Ｔ＝１６．０°）とした比較品では打音が発生したが、オフセット角φ_Ｔを１１．０°、１３．０°、もしくは１５．０°とした発明品１〜３では、打音の発生が認められない（比較品および発明品の何れも締め代を正隙間としている）。

このように、オフセット角φ_Ｔを上記範囲内に設定することにより、打音の発生を防止しつつもポケットとトルク伝達ボールとの間の締め代を正隙間とすることができる。従って、保持器の発熱や摩耗を回避して耐久性の向上を図ると共に、等速自在継手の折り曲げ抵抗を軽減し、組付け性を改善することができる。

なお、ここでいう正隙間は、図６に示すように軸方向の隙間を意味し、その幅ｔは０以上で２５μｍ以下とするのが望ましい（図中の隙間の幅は誇張して描いている）。

本発明の等速自在継手の内部に封入するのに好適なグリースを見出すべく、各種摩擦係数μのグリースを等速自在継手の内部に封入し、耐久性試験を行った。グリースの摩擦係数μは、ＪＩＳに規定のサバン型摩擦摩耗試験機を使用して測定した。ここでサバン型摩擦摩耗試験機は、図７に示すように、４０φ×４ｍｍの回転リング１１に１／４ｉｎｃｈの鋼球１２を圧接させたもので、摩擦係数の測定に際しては、回転リング１１を周速１０８ｍ／ｍｉｎで回転させ、荷重１２．７Ｎ（１．３ｋｇｆ）をかけ、回転リング１１の下端からスポンジ１３を介して回転リング１１の表面にグリースを供給する。そして、鋼球１２を支持するエアスライド１４の動きをロードセル１５で検出し、摩擦係数を測定する。摩擦係数の測定は、試験開始から１０分後に行った。

耐久性試験は、ボールトラックのオフセット角φ_Ｔ＝１３．０°のＢＪを用い、負荷トルク８３４Ｎ・ｍ（８５ｋｇｆ・ｍ）、回転数２３０ｒｐｍ、作動角６°の条件で行った。試験結果を表３に示す。

表３より、摩擦係数μが０．０７０以下のグリース、特に増稠剤がウレア系のものは、耐摩耗性を向上させて等速自在継手の耐久性を向上させることができることが判明した。

等速自在継手の構成部材のうち、相手側部材との間で滑り摩擦を生じる表面部に保護層を設けると、等速自在継手の作動性を改善することができる。保護層を形成する表面部としては、外側部材２や内側部材３と摺接する保持器５の表面部が一例として挙げられる。保護層としては、母材同士の金属接触の防止または抑制に効果のある膜、例えば硫化鉄などの化成処理膜や二硫化モリブデンなどの吸着膜が考えられる。この場合、表面部には、何れか一方の膜（例えば硫化鉄等の化成処理膜）のみならず、複合膜（硫化鉄等の化成処理膜＋二硫化モリブデン等の吸着膜）を形成してもよい。

表４は、保護層の有無が十字作動性に与える影響について比較したもので、比較品は研削肌のままであり、発明品はこれに二硫化モリブデンをコーティングしたものである。表４から明らかなように、保護層を形成すれば、等速自在継手の作動性をさらに向上させることができる。なお、供試継手は、比較品および発明品の何れもオフセット角φ_Ｔ＝１２．０°のＢＪである。

本発明にかかる等速自在継手は、従来品に比べて高強度であるので負荷容量を向上させることができる。また、耐久性に優れ、長寿命化が可能である。さらに作動性も良好であり、作動角によらず安定したトルク伝達機能を有する。また、これらの効果は、等速自在継手を大型化することなく実現することができる。

以下、この発明の実施の形態を添付の図面に従って詳細に説明する。

図１〜図３に示すように、この実施形態の等速自在継手１は、球面状の内周面２ａに複数（通常は６本）の曲線状の案内溝２ｂを軸方向に形成した外側部材２（外輪）と、球面状の外周面３ａに複数（通常は６本）の曲線状の案内溝３ｂを軸方向に形成した内側部材３（内輪）と、外側部材２の案内溝２ｂと内側部材３の案内溝３ｂとが協働して形成されるボールトラックにそれぞれ配された複数（通常は６個）のトルク伝達ボール４と、トルク伝達ボール４を保持する保持器５とで構成される。

外側部材２の案内溝２ｂの中心Ｏ_ＴＯと内側部材３の案内溝３ｂの中心Ｏ_ＴＩとは、継手中心Ｏに対して軸方向に等距離だけ反対側（中心Ｏ_ＴＯは継手の開口側、Ｏ_ＴＩは継手の奥部側）にオフセットされている。そのため、ボールトラックは開口側が広く、奥部側に向かって漸次縮小した形状（くさび状）になっている。

保持器５の外周面５ａの球面中心、および当該外周面５ａの案内面となる外側部材２の内周面２ａの球面中心は、何れも継手中心Ｏに一致する。また、保持器５の内周面５ｂの球面中心、および当該内周面５ｂの案内面となる内側部材３の外周面３ａの球面中心も何れも継手中心Ｏに一致する。外側部材２と内側部材３とが角度θだけ角度変位すると、保持器５に案内されたトルク伝達ボール４は常にどの作動角θにおいても、角度θの二等分面（θ／２）内に維持され、継手の等速性が確保される。

図１に示すように、外側部材２の案内溝２ｂの球面中心Ｏ_ＴＯ、継手平面ＰとＰＣＤの交差点Ｑ、および内側部材３の案内溝３ｂの球面中心Ｏ_ＴＩで形成されるオフセット角φ_Ｔは、１１．０°〜１５．０°に設定される。このオフセット角φ_Ｔは従来品のオフセット角（１６．０°程度）よりも小さく、それゆえ案内溝２ｂ，３ｂの深さは従来品に比べて軸方向でより均一に近くなる（従来品を破線で示す）。この場合、案内溝の浅い所では従来品よりも溝深さが深くなるので、高負荷下においても案内溝肩部に接触楕円が乗り上げにくくなり、肩部の欠け等を防止して案内溝の高強度化、耐久性の向上を図ることができる。また、保持器５の肉厚を厚くすることもできるので、保持器の高強度化や長寿命化も達成される。さらに、前述した通り、この範囲内のオフセット角φ_Ｔであれば、作動性も良好に維持される。

外側部材２、内側部材３、および保持器５は、通常、冷間鍛造後に高周波焼入れ等の熱処理を施し、さらに研削加工を施して所定寸法に仕上げられる。本発明では、上記のようにオフセット角φ_Ｔを従来品より小さくしている関係で保持器５の耐久性が向上するため、内周面２ａの研削加工を省略しても実用上十分な耐久寿命を確保することができる。同様の観点から、外側部材２の案内溝２ｂの研削を省略してもよく、場合によっては内周面２ａと案内溝２ｂの双方の研削を省略することも可能である。

また、トルク伝達ボール４が継手開口側に飛び出そうとする力（軸力）も従来品に比べて弱くなるため、トルク伝達ボール４の軸力に起因した打音の発生が防止または抑制される。従って、ポケット５１とトルク伝達ボール４との間の締め代を０〜２５μｍの正隙間とすることができ、保持器５の発熱や摩耗を回避して耐久性のさらなる向上を図ると共に、等速自在継手の折り曲げ抵抗を軽減し、組付け性を改善することができる。

保持器５の外周面５ａや内周面５ｂには、外側部材２や内側部材３との金属接触を防止または抑制すべく、硫化鉄などの化成処理膜や二硫化モリブデンなどの吸着膜からなる保護層が形成される。保護層は、相対的な滑り接触を生じる二部材間に介在していればよく、保持器５側に形成する他、外側部材２側や内側部材３側に、すなわち外側部材２の内周面２ａや内側部材３の外周面３ａに形成してもよい。もちろん、保持器５側と、外側部材２側および内側部材３側との双方に保護層を形成してもよい。

この等速自在継手の内部には、サバン型摩擦摩耗試験機で測定した摩擦係数μが０．０７０以下のグリースが封入される。

図８は、本発明をアンダーカットフリージョイント（ＵＪ）に適用した実施形態を示している。外側部材２の案内溝２ｂの球面中心Ｏ_ＴＯと内側部材３の案内溝３ｂの球面中心Ｏ_ＴＩとは、継手中心Ｏに対して軸方向に等距離だけ反対側（Ｏ_ＴＯは継手の開口側、Ｏ_ＴＩは継手の奥部側）にオフセットされている。また、保持器５の外周面５ａの球面中心Ｏ_ＣＯ（外側部材２の内周面２ａの球面中心と同じ）と、保持器５の内周面５ｂの球面中心Ｏ_ＣＩ（内側部材３の外周面の球面中心と同じ）とは、継手中心Ｏに対して軸方向に等距離だけ反対側（中心Ｏ_ＣＯは継手の開口側、Ｏ_ＣＩは継手の奥部側）にオフセットされている。保持器５の外周面５ａおよび内周面５ｂのオフセット量は、案内溝２ｂ，３ｂのオフセット量よりも小さい。

外側部材２の案内溝２ｂの一部領域Ｕ_Ｏ および内側部材３の案内溝３ｂの一部領域Ｕ_Ｉには、それぞれ縦断面で見て溝底が直線状のストレート部２ｂ_１，３ｂ_１が形成される。外側部材２のストレート部２ｂ_１は、案内溝２ｂの一端側（継手の開口側の端部）に形成され、内側部材３のストレート部３ｂ_１は、案内溝３ｂの他端側（継手の奥部側の端部）に形成される。

このＵＪにおいても図１〜図３に示すＢＪと同様に本発明の各構成を適用することができる。この場合、上記相違点を除いて具体的な構成は共通するので、重複説明を省略する。

等速自在継手（ＢＪ）の拡大断面図である。 等速自在継手（ＢＪ）の縦断面図で、図３中のＡ−Ｏ−Ａ断面を示す。 等速自在継手の横断面図である。 試験結果を示す図である。 試験結果を示す図である。 保持器の拡大平面図である。 サバン型摩擦摩耗試験機の断面図である。 等速自在継手（ＵＪ）の縦断面図で、図３中のＢ−Ｏ−Ｂ断面を示す。

符号の説明

１ 等速自在継手
２ 外側部材
２ａ 内周面
２ｂ 案内溝
２ｂ_１ ストレート部
３ 内側部材
３ａ 外周面
３ｂ 案内溝
３ｂ_１ ストレート部
４ トルク伝達ボール
５ 保持器
５ａ 外周面
５ｂ 内周面
φ_Ｔ ボールトラックのオフセット角
φ_Ｃ 保持器のオフセット角
Ｏ 継手中心

Claims (8)

1. 球面状の内周面に軸方向へ延びる複数の案内溝が設けられた外側部材と、球面状の外周面に軸方向へ延びる複数の案内溝が設けられた内側部材と、対をなす外側部材の案内溝と内側部材の案内溝とで形成されるボールトラックに配したトルク伝達ボールと、外側部材の球面状内周面と内側部材の球面状外周面に案内され、トルク伝達ボールを保持する保持器とを備え、外側部材の案内溝の球面中心と内側部材の案内溝の球面中心とが継手中心から軸方向に互いに逆向きにオフセットされた固定式等速自在継手において、
   ボールトラックのオフセット角を１１．０°〜１５．０°にしたことを特徴とする等速自在継手。
2. 球面状の内周面に軸方向へ延びる複数の案内溝が設けられた外側部材と、球面状の外周面に軸方向へ延びる複数の案内溝が設けられた内側部材と、対をなす外側部材の案内溝と内側部材の案内溝とで形成されるボールトラックに配したトルク伝達ボールと、外側部材の球面状内周面と内側部材の球面状外周面に案内され、トルク伝達ボールを保持する保持器とを備え、外側部材の案内溝の球面中心と内側部材の案内溝の球面中心とが継手中心から軸方向に互いに逆向きにオフセットされると共に、保持器の外周面および内周面の球面中心がそれぞれ継手中心から軸方向に互いに逆向きにオフセットされ、かつ外側部材および内側部材の各案内溝に、直線状の溝底を有するストレート部を設けた等速自在継手において、
   ボールトラックのオフセット角を１１．０°〜１５．０°にしたことを特徴とする等速自在継手。
3. 保持器のオフセット角を、０°よりも大きく、かつ３．０°以下にした請求項２記載の等速自在継手。
4. 外側部材の球面状内周面および案内溝のうち、少なくとも一方を鍛造表面にした請求項１または２記載の等速自在継手。
5. 保持器のうち、トルク伝達ボールを収容するポケットと、当該トルク伝達ボールとの間の締め代を正隙間とした請求項１または２記載の等速自在継手。
6. 正隙間を０〜２５μｍにした請求項５記載の等速自在継手。
7. 摩擦係数が０．０７０以下のグリースを内部に封入した請求項１または２記載の等速自在継手。
8. 等速自在継手の構成部材のうち、相手側部材との間で滑り摩擦を生じる表面部に保護層を設けた請求項１または２記載の等速自在継手。

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