JP2008057613A

JP2008057613A - 固定型等速自在継手

Info

Publication number: JP2008057613A
Application number: JP2006233746A
Authority: JP
Inventors: Takemi Konomoto; 武美此本
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2008-03-13

Abstract

【課題】高作動角を実現可能な固定型等速自在継手において、保持器を外側継手部材の内部に確実に保持すると共に、ボールと外側継手部材との干渉を防止する。
【解決手段】ボールトラック３を、対向する案内溝１ｂ、２ｂの径方向間隔が継手開口側へ向けて狭まった楔形状とした。これにより、継手に負荷がかかった際、ボール４には保持器５を外側継手部材１の奥側へ押し込む力Ｆが加わる。このため、継手の作動角の高角化を図った場合でも、保持器５を確実に保持することができる。また、外側継手部材１の案内溝１ｂの継手開口端部を、半径方向外方に開いたガイド部１ｄとした。このガイド部１ｄにより、ボール４と外側継手部材１との干渉が回避されるため、作動角を大きくとっても、継手をスムーズに作動させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明の固定型等速自在継手は、駆動側の回転軸と従動側の回転軸とを連結し、両軸が角度をなした状態でも等角速度でトルク伝達可能にしたもので、プランジングを行わず角度変位のみが可能であり、自動車をはじめ各種産業機械の動力伝達用の固定型等速自在継手として利用される。

自動車のドライブシャフトのアクスル連結部や、ステアリングシャフトのシャフト折曲げ連結部には、固定型等速自在継手が一般に使用される。この固定型等速自在継手として、例えば、ゼッパ型等速自在継手が知られている。ゼッパにより発明されたゼッパ型等速自在継手は、最初は、外側継手部材の案内溝のボール中心軌跡と内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡が、共に継手中心に中心を持つ同一円弧であった（特許文献１参照）。

ゼッパ型等速自在継手はその後改良され、いわゆるダブルオフセット型と呼ばれるものが広く使用されている（特許文献２参照）。ダブルオフセット型等速自在継手は、外側継手部材と内側継手部材の二つの案内溝のボール中心軌跡を、継手中心から継手軸線方向反対方向にそれぞれ等距離だけ離れた点を中心とする同じ半径の円にしたものである。

ダブルオフセット型等速自在継手の具体例を図９に示す。この等速自在継手は、一端が開口し、球面状の内周面１ａに複数本（例えば６本）の曲線状の案内溝１ｂを軸方向に形成した外側継手部材１と、球面状の外周面２ａに複数本（例えば６本）の曲線状の案内溝２ｂを軸方向に形成した内側継手部材２と、一端を内側継手部材２のスプライン（またはセレーション）孔２ｃに挿入したシャフト６と、外側継手部材１の案内溝１ｂと内側継手部材２の案内溝２ｂとが協働して形成される複数本（例えば６本）のボールトラック３と、各ボールトラック３に１個ずつ配され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とで構成される。保持器５の外周球面５ａは外側継手部材１の内周球面１ａと摺接すると共に、保持器５の内周球面５ｂは内側継手部材２の外周球面２ａと摺接する。外側継手部材１の内周球面１ａの曲率中心、内側継手部材２の外周球面２ａの曲率中心は、いずれも、継手中心Ｏと一致している。外側継手部材１の案内溝１ｂ（以下、外輪案内溝１ｂと称す）の曲率中心Ｏ_１と内側継手部材２の案内溝２ｂ（以下、内輪案内溝２ｂと称す）の曲率中心Ｏ_２は、継手中心Ｏを挟んで軸方向に等距離だけ反対側にオフセットし、中心Ｏ_１は継手の開口側に、中心Ｏ_２は継手の奥部側に配される。

米国特許第１６６５２８０号公報米国特許第２０４６５８４号公報

図９に示す等速自在継手のボールトラック３は、外輪案内溝１ｂ及び内輪案内溝２ｂの曲率中心Ｏ_１、Ｏ_２が軸方向にオフセットしていることにより、外側継手部材１の開口側へ向けて開いた楔形状を成している。このため、継手に負荷が加わった際、ボール４には保持器５を外側継手部材１の開口側へ向けて押し出す力Ｆ（図９に矢印で示す）が加わる。このとき、外側継手部材１の内周球面１ａの継手開口側領域Ｄ’が力Ｆに対して保持器５を保持することにより、保持器５の外側継手部材１からの抜けが規制される。

ところで、等速自在継手の限界作動角は、シャフト６と外側継手部材１の開口端部１ｃとが干渉することにより制限される。すなわち、限界作動角を高角化させるためには、外側継手部材１の開口端部１ｃの張出し長を短縮、すなわち、開口端部１ｃと継手中心Ｏとの距離Ｌを短くすればよい。しかし、外側継手部材１の開口端部１ｃと継手中心Ｏとの距離Ｌを短くすると、外側継手部材１の内周球面１ａが力Ｆに対して保持器５を抱え込む継手開口側領域Ｄ’が縮小される。このため、外側継手部材１の内周球面１ａと保持器５の外周球面との間の隙間幅によっては、外側継手部材１が保持器５を抱え込むことができずに、継手の作動に支障をきたす恐れがある。

また、継手の限界作動角を高角化させるためには、ボールを外側継手部材の案内溝から外側に出さざるを得ない。そのとき、上記のような等速自在継手において、何ら対策を講じることなくボールを外側継手部材の案内溝から外側に出すと、ボールが脱落する恐れがある。このような不具合を防止するべく、本出願人は、先の出願で以下に示すような構成の等速自在継手を提案した。

例えば、特願２００５−１４０１６２の等速自在継手では、内側継手部材の案内溝の継手奥側部分を継手中心を曲率中心とする円弧にしている。これにより、大きな作動角を取ったときでもボールの中心位置が継手中心から離れていかないため、ボールが外側継手部材の案内溝から外側に出ても、保持器と内側継手部材の案内溝との間に保持することができる。

また、特願２００５−１６２９６９の等速自在継手では、ボールを収容する保持器の窓の外周側窓開き寸法を、ボールの径より小さくしている。これにより、外側継手部材の外側であってもボールを保持器で内側継手部材の案内溝側に抱え込んでおくことができるため、ボールが保持器から脱落することを防止できる。

このようにして、ボールを脱落させることなく外側継手部材の案内溝からはみ出し可能とした等速自在継手では、継手の回転、あるいは折曲に伴って、外側継手部材の案内溝から外側に出たボールが再び案内溝に戻される。このとき、ボールと外側継手部材の開口端部とが干渉し、等速自在継手のスムーズな作動が阻害される恐れがある。

本発明の目的は、高作動角を実現可能な固定型等速自在継手において、保持器を外側継手部材の内部に確実に保持すると共に、ボールと外側継手部材との干渉を防止し、等速自在継手をスムーズに作動させることにある。

前記課題を解決するため、本発明は、一端が開口し、球面状の内周面に軸方向に延びる複数の案内溝を形成した外側継手部材と、球面状の外周面に軸方向に延びる複数の案内溝を形成した内側継手部材と、外側継手部材の案内溝と内側継手部材の案内溝とが協働して形成する複数のボールトラックと、各ボールトラックに１個ずつ配されたトルク伝達ボールと、トルク伝達ボールを保持する保持器とを備えた固定型等速自在継手において、ボールトラックを、対向する案内溝の径方向間隔を外側継手部材の開口側へ向けて狭めた楔形状とし、内側継手部材の案内溝のうち、継手奥側の端部を含む領域を継手中心を中心とする円弧とすると共に、前記ボールを収容する保持器の窓の外周側窓開き寸法を前記ボールの径より小さくすることによって、前記ボールを脱落させることなく外側継手部材の案内溝からはみ出し可能とし、かつ、外側継手部材の案内溝の継手開口側端部を、径方向外方に開いたガイド部としたことを特徴とする。

このように本発明では、ボールトラックを、対向する案内溝の径方向間隔を外側継手部材の開口側へ向けて狭めた楔形状とした。これにより、継手に負荷がかかった際、ボールには保持器を継手奥側へ向けて押し込む力が加わり、この力に対して保持器は外側継手部材の内周球面の奥側領域で保持される。この外側継手部材の内周球面の奥側領域は、継手の作動角を高角化するために外側継手部材の開口端部と継手中心との距離を短くしても縮小されない。従って、継手の作動角の高角化を図った場合でも、保持器を外側継手部材の内部に確実に保持することができる。

また、この等速自在継手では、外側継手部材の案内溝の継手開口側端部を、径方向外方に開いたガイド部とした。このガイド部により、外側継手部材の案内溝から外側に出たボールをスムーズに案内溝に戻すことができるため、ボールと外側継手部材との干渉が回避され、大きな作動角を取っても継手をスムーズに作動させることができる。特に、上記のように、ボールトラックが外側継手部材の開口側へ向けて狭まった楔形状である場合には、ボールと外側継手部材とが干渉する恐れが高いため、外側継手部材の案内溝にガイド部を設けることが有効となる。

このガイド部は、例えば、外側継手部材の開口外径側に曲率中心を有する曲線状とすることができる。あるいは、その内径が外側継手部材の開口部に向かって連続的に増大する直線状とすることができる。

このような等速自在継手において、外側継手部材及び内側継手部材の案内溝におけるボール中心軌跡を、継手中心を挟んで継手軸方向反対側に等しくオフセットさせると共に、外側継手部材の案内溝におけるボール中心軌跡の主円弧の曲率中心を、内側継手部材の案内溝におけるボール中心軌跡の主円弧の曲率中心よりも継手奥側に配することにより、上記のような、対向する案内溝の径方向間隔が外側継手部材の開口側へ向けて狭まった楔形状のボールトラックを得ることができる。

以上のように、本発明によると、高作動角を実現可能な固定型等速自在継手において、保持器を外側継手部材の内部に確実に保持すると共に、ボールと外側継手部材との干渉を防止し、等速自在継手をスムーズに作動させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１（Ａ）（Ｂ）は本発明の固定型（ゼッパ型）等速自在継手を示したものであって、（Ａ）が作動角０°、（Ｂ）が限界作動角（６０°）の状態を示す。この等速自在継手の構成部材は、基本的に図９の等速自在継手と同様であって、同一部分には同一符号を付して重複する説明は省略する。

この等速自在継手の特徴は、まず、外輪案内溝１ｂと内輪案内溝２ｂとが協働して形成するボールトラック３にある。すなわち、図１（Ａ）のように、ボールトラック３は、対向する案内溝１ｂ、２ｂの径方向間隔が外側継手部材の開口側へ向けて狭まった楔形状を成している。

ボールトラック３の詳しい形状を、外輪案内溝１ｂのボール中心軌跡Ｃ１（以下、外輪ボール中心軌跡Ｃ１）、及び、内輪案内溝２ｂのボール中心軌跡Ｃ２（以下、内輪ボール中心軌跡Ｃ２）を用いて説明する。外輪ボール中心軌跡Ｃ１は、図２（Ａ）に示すように、点Ｏ_１を中心とした半径Ｒ１の主円弧で構成される。一方、内輪ボール中心軌跡Ｃ２は、図２（Ｂ）に示すように、曲率中心の異なる二つの軌跡、すなわち点Ｏ_２を中心とした半径Ｒ２の主円弧Ｃ２ａ（矢印Ａで示す範囲）、及び主円弧Ｃ２ａの継手奥側に配され、継手中心Ｏを中心とした半径Ｒ３の副円弧Ｃ２ｂ（矢印Ｂで示す範囲）とで構成される。

外輪ボール中心軌跡Ｃ１の曲率中心Ｏ_１は、内輪ボール中心軌跡Ｃ２の主円弧Ｃ２ａの曲率中心Ｏ_２よりも外側継手部材１の奥側に配されると共に、これらの曲率中心Ｏ_１、Ｏ_２は、継手中心Ｏを挟んで継手軸方向反対側に等しくオフセットされる。これにより、ボールトラック３は、対向する案内溝１ｂ、２ｂの径方向間隔が継手開口側へ向けて狭まった楔形状を成す。

また、外輪ボール中心軌跡Ｃ１の半径Ｒ１と、内輪ボール中心軌跡Ｃ２の主円弧Ｃ２ａの半径Ｒ２は等しく設定され（Ｒ１＝Ｒ２）、これらの曲率中心Ｏ_１、Ｏ_２は、曲率半径が長くなる方向に等しくオフセットされる。外輪ボール中心軌跡Ｃ１と内輪ボール中心軌跡Ｃ２の主円弧Ｃ２ａは、継手中心Ｏを通り継手軸線に直角な断面において互いに交差し、かつ、継手中心Ｏを挟んで軸方向に鏡像対称である。内輪ボール中心軌跡Ｃ２の主円弧Ｃ２ａの継手奥側端部には、継手中心Ｏを中心とする半径Ｒ３の副円弧Ｃ２ｂがつながっている。

この等速自在継手のさらなる特徴は、外輪案内溝１ｂの形状にある。外輪案内溝１ｂの継手開口側端部は、径方向外方へ開いたガイド部１ｄとされる。図３に、図１における外輪案内溝１ｂ及びガイド部１ｃの溝底のみを示す。ガイド部１ｄは、例えば、外側継手部材１の開口部の外径側にある点Ｏ_３を曲率中心とした半径Ｒ４の円弧状に形成され、外輪案内溝１ｂとなめらかに連続している。このガイド部１ｄの開き角δ（ガイド部１ｄの開口端部における接線と継手軸線とが成す角度）は、小さすぎるとボール４と外側継手部材１とが干渉し、大きすぎると外側継手部材１の外側へ出たボール４をスムーズにボールトラックへ戻すガイド機能を果たすことができない。このため、ガイド部１ｃの開き角δの大きさは、５°〜４５°、好ましくは１０°〜２０°に設定することが望ましい。

ガイド部１ｄの形状は上記に限らない。図４に、ガイド部１ｄの他の例を示す。このガイド部１ｄは、外側継手部材１の継手軸線方向より角度δだけ半径方向外方へ傾斜した直線状、すなわちガイド部１ｄの内径が外側継手部材１の開口側に向かって連続的に増大する直線状に形成される。図４では、外輪案内溝１ｂとガイド部１ｄとの境界部に角部が形成されているが、この角部を丸めて滑らかに連続させてもよい。

保持器５の継手開口側の内径面は、図５のように、所定幅にわたって内径一定の円筒面５ｃが設けられ、この円筒面５ｃに形成した溝部５ｃ１に止め輪７（サークリップ）が嵌合される。この止め輪７の内側であって保持器５の窓５ｄまでの間にできた奥狭まりの環状楔空間に、案内リング８が嵌合される。この案内リング８は、その内周面が内側継手部材２の球面状外周面２ａに嵌合し、外周面が保持器５の内周円筒面５ｃに嵌合する。また、案内リング８の外端は止め輪７の内面に当接する。案内リング８の内端とボール４との間には一定の隙間が確保される。

保持器５の窓５ｄのボール案内面は、図６のように、外径側が幅狭になっている。すなわち、ボール案内面の内径側は、ボール径と等しい間隔を明けて互いに平行直線状５ｄ１であるが、ボール案内面の外径側はボール径よりもやや狭い間隔となるように先すぼまりとなっている。この先すぼまりの部分は、傾斜した直線で構成してもよいが、ボールとの当り面圧を下げるために、ボールの外周曲率に符合した凹円弧状５ｄ２にするのがよい。

本発明に係る等速自在継手は以上のように構成される。この等速自在継手では、外側継手部材１と内側継手部材２の二つの案内溝１ｂ、２ｂのボール中心軌跡Ｃ１、Ｃ２が、上記のような構成を有することにより、ボール４を継手中心Ｏの軸直角断面内に保持することができる。このようなボール４の定位置保持によって、継手作動角０°において保持器５を継手中心Ｏの軸直角断面内に保持することができる。

また、大きな作動角を取ったときでも、内側継手部材２のボール中心軌跡Ｃ２の副円弧Ｃ２ｂが継手中心Ｏを中心とする円弧であるため、ボール４の中心位置が継手中心Ｏから離れていかない。このため、外側継手部材１の案内溝１ｂを開口側に長く延在させる必要がなく、従って内側継手部材２に連結するシャフト６が外側継手部材１に干渉する作動角を高角化することができる。また、例えば５０°を越えて６０°に近づく高作動角では一部のボール４が外側継手部材１の案内溝１ｂから外側に出ることになるが、保持器５外径側のボール案内面の対向間隔をボール径よりも狭くしておくことにより、外側継手部材１の外側であってもボール４を保持器５で内側継手部材２のボール中心軌跡Ｃ２の副円弧Ｃ２ｂに対応する案内溝２ｂ側に抱え込んでおくことができ、ボール４が保持器５から脱落するのを防止できる。

また、上記のように、ボールトラック３を、対向する案内溝１ｂ、２ｂの径方向間隔が継手開口側へ向けて狭まった楔形状とすることにより、継手に負荷がかかった際、ボールトラック３に保持されたボール４には継手奥側へ向けた力が加わる。詳しくは、図５に示すように、ボール４がボールトラック３にある状態において、ボールトラック３とボール４との接点Ｐ１、Ｐ２が、ボール中心を含む平面Ｓ（作動角０°では、継手中心Ｏの軸直角断面と同一）よりも常に継手開口側にあることにより、ボール４には保持器５を継手奥側へ押し込む力Ｆが加わる。このとき、保持器５は、図１（Ａ）に示すように、ボール４に加わる力Ｆに対して、外側継手部材１の内周球面１ａの継手奥側領域Ｄで保持される。この等速自在継手では、ボール４を脱落させることなく外側継手部材１の案内溝１ｂからはみ出し可能とすることで、外側継手部材１の開口端部１ｃと継手中心Ｏとの距離Ｌを比較的短く設定し、継手の作動角の高角化を図っている。このように、外側継手部材１の開口端部１ｃと継手中心Ｏとの距離Ｌが短くなっても、保持器５を保持する外側継手部材１の内周球面１ａの奥側領域Ｄは縮小されないため、保持器５を確実に保持することができる。

また、この等速自在継手では、継手の回転、あるいは折曲に伴って、外輪案内溝１ｂから外側に出たボール４が再び外輪案内溝１ｂに戻される。このとき、ボール４と外側継手部材１の開口端部とが干渉すると、等速自在継手１のスムーズな作動が阻害される恐れがある。特に、本発明のように、ボールトラック３を継手開口側へ向けて閉じた楔形状とした場合、ボール４と外側継手部材１の開口端部とが干渉する恐れが高い。本発明の等速自在継手では、外輪案内溝１ｂの開口端部に設けたガイド部１ｄにより、ボール４をスムーズに外輪案内溝１ｂに収容することができる（図７参照）。従って、ボール４と外側継手部材１との干渉が回避され、継手をスムーズに作動させることができる。

また、外輪ボール中心軌跡Ｃ１の曲率中心Ｏ_１と内輪ボール中心軌跡Ｃ２の曲率中心Ｏ_２を、共に継手中心から曲率半径が長くなる方向に等しくオフセットすることにより、外輪案内溝１ｂが深くなるため、トルク負荷によるボール４の乗り上げをより確実に防止することができる。また、このオフセットにより、外輪案内溝１ｂの長さを延長することができる。さらに、このオフセットにより、内輪案内溝２ｂがボール４から受ける面圧を低減することができる。

本発明は、上記の実施形態に限られない。例えば、上記では、ボール中心軌跡Ｃ１の曲率中心Ｏ_１、及びボール中心軌跡Ｃ２の主円弧Ｃ２ａの曲率中心Ｏ_２が、曲率半径が長くなる方向に継手中心Ｏから等しくオフセットされているが、これに限られない。例えば、各曲率中心Ｏ_１、Ｏ_２を継手中心軸上に配してもよい。あるいは、図８に示すように、各曲率中心Ｏ_１、Ｏ_２を、曲率半径が短くなる方向に継手中心Ｏから等しくオフセットしてもよい。これにより、内輪案内溝２ｂが深くなるため、トルク負荷によるボール４の乗り上げをより確実に防止することができる。また、このオフセットにより、外輪案内溝１ｂがボール４から受ける面圧を低減することができる。

また、上記の実施形態では、外側継手部材１の案内溝１ｂ及び内側継手部材２の案内溝２ｂが何れも円弧状に形成されているが、これらを部分的に直線状に形成してもよい。あるいは、これらを全部直線状に形成してもよい。但し、全ての案内溝を直線状とした場合、作動角０°の状態で、対向する全ての案内溝が平行であると、保持器が回転可能となり、案内溝に対するボールの位置が確定しない。このため、少なくとも１組の対向する案内溝を平行でない直線状に形成する必要がある。

（Ａ）（Ｂ）は、本発明に係る固定型等速自在継手の縦断面図。（Ａ）は、外側継手部材１の縦断面図。（Ｂ）は、内側継手部材２の縦断面図。外側継手部材１の案内溝１ｂの拡大図。外側継手部材１の案内溝１ｂの他の例を示す拡大図。保持器５のボール４部分の拡大断面図。保持器５の窓５ｄを示す拡大断面図。固定型等速自在継手を折曲させた状態を示す縦断面図。他の例の固定型等速自在継手を示す縦断面図。従来の固定型等速自在継手を示す縦断面図。

符号の説明

１外側継手部材
１ａ内周球面
１ｂ外輪案内溝
１ｃ開口端部
１ｄガイド部
２内側継手部材
２ａ外周球面
２ｂ内輪案内溝
３ボールトラック
４トルク伝達ボール
５保持器
５ａ外周球面
５ｂ内周球面
６シャフト
Ｃ１外輪ボール中心軌跡
Ｏ_１曲率中心
Ｒ１半径
Ｃ２内輪ボール中心軌跡
Ｃ２ａ主円弧
Ｏ_２曲率中心
Ｒ２半径
Ｃ２ｂ副円弧
Ｒ３半径
Ｏ継手中心

Claims

一端が開口し、球面状の内周面に軸方向に延びる複数の案内溝を形成した外側継手部材と、球面状の外周面に軸方向に延びる複数の案内溝を形成した内側継手部材と、外側継手部材の案内溝と内側継手部材の案内溝とが協働して形成する複数のボールトラックと、各ボールトラックに１個ずつ配されたトルク伝達ボールと、トルク伝達ボールを保持する保持器とを備えた固定型等速自在継手において、
ボールトラックを、対向する案内溝の径方向間隔を外側継手部材の開口側へ向けて狭めた楔形状とし、
内側継手部材の案内溝のうち、継手奥側の端部を含む領域を継手中心を中心とする円弧とすると共に、前記ボールを収容する保持器の窓の外周側窓開き寸法を前記ボールの径より小さくすることによって、前記ボールを脱落させることなく外側継手部材の案内溝からはみ出し可能とし、かつ、外側継手部材の案内溝の継手開口側端部を、径方向外方に開いたガイド部としたことを特徴とする固定型等速自在継手。
前記ガイド部を、外側継手部材の開口外径側に曲率中心を有する曲線状としたことを特徴とする請求項１記載の固定型等速自在継手。
前記ガイド部を、その内径が外側継手部材の開口部に向かって連続的に増大する直線状としたことを特徴とする請求項１記載の固定型等速自在継手。
外側継手部材の案内溝におけるボール中心軌跡及び内側継手部材の案内溝におけるボール中心軌跡が、それぞれ等しい半径を有する主円弧を備え、
外側継手部材の案内溝におけるボール中心軌跡の主円弧の曲率中心が、内側継手部材の案内溝におけるボール中心軌跡の主円弧の曲率中心よりも継手奥側に配され、且つ、これらの曲率中心が継手中心を挟んで継手軸方向反対側に等しくオフセットされたことを特徴とする請求項１記載の固定型等速自在継手。