JP2008106881A - 固定式等速自在継手 - Google Patents

Abstract

【課題】 テーパ状トラック溝を持つ高角タイプの固定式等速自在継手において、コンパクト軽量化およびコスト低減化を図りつつ、より一層の高角化を実現する。
【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と内輪２０間に介在してボール３０を保持するケージ４０とを備え、外輪１０のトラック溝１４の開口側溝底をテーパ状にすると共に内輪２０のトラック溝２４の奥側溝底をテーパ状とし、最大作動角時に外輪１０のトラック溝１４から最も飛び出る位相にあるボール３０の外輪１０のトラック溝１４との接触点Ａをそのトラック溝１４から外し、かつ、同時に３個以上のボール３０の外輪１０のトラック溝１４との接触点がそのトラック溝１４から外れない範囲で、外輪１０のトラック溝１４を軸方向に短くする。
【選択図】 図３

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の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、この等速自在継手は、図９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。

前述した高角化のニーズに対する等速自在継手は、大きな作動角を取り得る構造とするため、図９に示すようにケージ１４０の内球面１４４の曲率中心Ｏ_３と、外球面１４２の曲率中心Ｏ_４とは、継手中心面Ｐに対して等距離ｆだけ軸方向逆向きにオフセットされている（ケージオフセット）。このように、ケージオフセットを設けることにより、ケージ１４０は、外輪１１０の開口側に向けて厚肉で、かつ、その奥側に向けて薄肉となる形状を有する。

また、外輪１１０のトラック溝１１４の曲率中心Ｏ_１および内輪１２０のトラック溝１２４の曲率中心Ｏ_２は、外輪１１０の内球面１１２の曲率中心Ｏ_４および内輪１２０の外球面１２２の曲率中心Ｏ_３に対して等距離Ｆだけ軸方向逆向きにオフセットされている（トラックオフセット）。このように、トラックオフセットを設けることにより、外輪１１０のトラック溝１１４および内輪１２０のトラック溝１２４のそれぞれは、外輪１１０の開口側で深く、かつ、その奥側で浅くなっている。これら一対のトラック溝１１４，１２４により、外輪１１０の奥側から開口側に向けて径方向間隔が徐々に増加する楔状のボールトラックが形成されている。

なお、内輪１２０の外球面１２２の曲率中心Ｏ_３は、ケージ１４０の内球面１４４の曲率中心と一致し、外輪１１０の内球面１１２の曲率中心Ｏ_４は、ケージ１４０の外球面１４２の曲率中心と一致している。

この固定式等速自在継手では、さらに高角化を図るため、外輪１１０のトラック溝１１４の開口側溝底を、その外輪１１０の開口側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の奥側溝底を、その内輪１２０の奥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）。

なお、図１０は、継手が最大作動角θ_０をとった状態、つまり、外輪１１０の回転軸Ｘと内輪１２０の回転軸Ｙ（内輪１２０に連結されたシャフト１５０の中心軸）が最大作動角θ_０をとった状態を示す。図中、外輪１１０のトラック溝１１４を軸方向に移動するボール１３０がそのトラック溝１１４と接触する点の移動軌跡ｍ_０１、内輪１２０のトラック溝１２４を軸方向に移動するボール１３０がそのトラック溝１２４と接触する点の移動軌跡ｍ_０２をそれぞれ破線で示す。また、Ｌ_０１はボール１３０の移動軌跡ｍ_０１において外輪１１０のトラック溝１１４の軸方向寸法を示し、Ｌ_０２はボール１３０の移動軌跡ｍ_０２において内輪１２０のトラック溝１２４の軸方向寸法を示す。
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、前述した固定式等速自在継手では、外輪１１０のトラック溝１１４の開口側溝底を、その外輪１１０の開口側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の奥側溝底を、その内輪１２０の奥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、作動角の高角化を図っている。

一方、この固定式等速自在継手において、さらに作動角の高角化を実現するためには、外輪１１０の外径を大きくする必要がある。しかしながら、外輪１１０の外径を大きくすると、等速自在継手のコンパクト化が困難であり、その等速自在継手を自動車などに搭載するに際してスペースの制限を受けることになる。また、等速自在継手の重量も増加すると共に製品のコストアップを招来することにもなる。

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、テーパ状トラック溝を持つ高角タイプの固定式等速自在継手において、コンパクト軽量化およびコスト低減化を図りつつ、より一層の高角化を実現することにある。

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曲率中心は外側継手部材の内球面中心に対して、かつ、内側継手部材のトラック溝の曲率中心は内側継手部材の外球面中心に対して軸方向反対側にオフセットされ、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、最大作動角時に外側継手部材のトラック溝から最も飛び出る位相にあるボールの少なくとも外側継手部材のトラック溝との接触点をそのトラック溝から外し、かつ、同時に３個以上のボールの少なくとも外側継手部材のトラック溝との接触点がそのトラック溝から外れない範囲で、外側継手部材のトラック溝を軸方向に短くしたことを特徴とする。

ここで、「最も飛び出る位相にあるボールの少なくとも外側継手部材のトラック溝との接触点」とは、最も飛び出る位相にあるボールの外側継手部材のトラック溝との接触点の他に、最も飛び出る位相にあるボールの内側継手部材のトラック溝との接触点を含むことを意味する。

つまり、「最も飛び出る位相にあるボールの少なくとも外側継手部材のトラック溝との接触点をそのトラック溝から外す」とは、ボールの外側継手部材のトラック溝との接触点をそのトラック溝から外す場合（この場合、ボールの内側継手部材のトラック溝との接触点はそのトラック溝から外れていない。）と、ボールの外側継手部材のトラック溝および内側継手部材のトラック溝との接触点をそれぞれのトラック溝から外す場合の両者を含むことを意味する。

本発明では、最大作動角時に外側継手部材のトラック溝から最も飛び出る位相にあるボールの少なくとも外側継手部材のトラック溝との接触点がそのトラック溝から外れるように、外側継手部材のトラック溝を軸方向に短くすることにより、継手が作動角をとる時、外側継手部材の開口端と内側継手部材に連結されるシャフトとの間に、さらに作動角をとれるようなスペースを作り出すことができ、その結果、更なる高角化が実現容易となる。

なお、最も飛び出るボールとその両隣に位置するボールのトラック溝との接触点がそのトラック溝から同時に外れると、合計３個のボールの接触点がトラック溝から外れることになり、等速自在継手の機能上支障を来たすことになる。従って、外側継手部材のトラック溝を軸方向に短くする場合、同時に３個以上のボールの少なくとも外側継手部材のトラック溝との接触点がそのトラック溝から外れない範囲とする必要がある。

前述した構成におけるケージは、その外球面の開口側端部を軸方向に向けて延在させ、ケージの内球面の開口側端部を外球面の開口側端部に向けて拡径するテーパ状とした構造が望ましい。ここで、ケージの外球面の開口側端部を軸方向に向けて延在させる場合、等速自在継手が最大作動角をとった状態で、内側継手部材に取り付けられたシャフトがケージの開口側端部と干渉しない程度にその外球面の開口側端部を延在させる。

シャフトがケージの開口側端部と干渉しない程度までケージの外球面の開口側端部を延在させる場合、ケージの内球面の開口側端部のテーパ角度を、外側継手部材と内側継手部材がなす最大作動角の半分以上とすることが望ましい。このようにテーパ角度を最大作動角の半分以上とすれば、高角域においてもケージの外球面と外側継手部材の内球面との接触面積を確保することができる点で好ましい。なお、このテーパ角度が最大作動角の半分よりも小さければ、シャフトがケージのテーパ状開口側端部と干渉することになる。

このように高角域においてもケージの外球面と外側継手部材の内球面との接触面積を確保することができることにより、最大作動角をとった時に、ボールがケージを開口側へ押し、そのケージの外球面の開口側端部と外側継手部材の内球面が強く擦れ合っても発熱による耐久性の低下や伝達トルクの損失を最小限に抑えることができる。また、ケージの剛性を最大限に確保することができるので、ケージ自体の強度も向上する。

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中心との距離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部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、ケージの入口側と反対側に位置する奥側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中心との距離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中心との距離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。

本発明では、最大作動角時に外側継手部材のトラック溝から最も飛び出る位相にあるボールの少なくとも外側継手部材のトラック溝との接触点をそのトラック溝から外し、かつ、同時に３個以上のボールの少なくとも外側継手部材のトラック溝との接触点がそのトラック溝から外れない範囲で、外側継手部材のトラック溝を軸方向に短くしたことにより、継手が作動角をとる時、外側継手部材の開口端と内側継手部材に連結されるシャフトとの間に、さらに作動角をとれるようなスペースを作り出すことができ、更なる高角化が実現容易となり、等速自在継手のコンパクト軽量化およびコスト低減化が図れる。

その結果、作動角の高角化を容易に実現することができることから、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図ることができる。

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３および図４は外輪１０の回転軸Ｘと内輪２０の回転軸Ｙ（内輪２０に連結されたシャフト５０の中心軸）とが最作動角θ_１をとった状態を示し、図１はその作動角が０°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で構成されるボールトラックに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。コンパクトな等速自在継手を実現する上では、この実施形態のようにボール３０は８個が好ましい。

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_１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に対して軸方向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に対して軸方向逆向きにオフセットさせている（ケージオフセット）。このケージオフセット量ｆはトラックオフセット量Ｆに対して大きく設定されている。

図３および図４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_１をとったとき、両回転軸Ｘ，Ｙのなす角度θ_１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。

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とで構成されるボールトラックは、トラックオフセットを設けることにより、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。

ケージ４０は、前述したようにケージオフセットを設けたことにより、外輪１０の開口端側に向けて厚肉で、その反開口端側に向けて薄肉となった形状を有する。つまり、外輪１０の開口端側に厚肉部４１、その反開口端側に薄肉部４３が配されている。この厚肉部４１の外球面側を軸方向に向けて延在させ、厚肉部４１の内球面側を外球面側に向けて拡径するテーパ状としている。

このようにケージ４０の厚肉部４１の外球面側を軸方向に向けて延在させることにより、継手が最大作動角θ_１をとった時、高角域においてもケージ４０の外球面４２と外輪１０の内球面１２との接触面積を確保することができる。その結果、ボール３０がケージ４０を開口端側へ押し、そのケージ４０の厚肉部４１の外球面４２と外輪１０の内球面１２が強く擦れ合っても発熱による耐久性の低下や伝達トルクの損失を最小限に抑えることができる。また、ケージ４０の剛性を最大限に確保することができるので、ケージ自体の強度も向上する。

また、ケージ４０の厚肉部４１の内球面側を外球面側に向けて拡径するテーパ状とすることにより、継手が最大作動角θ_１をとった状態で、内輪２０に取り付けられたシャフト５０がケージ４０の厚肉部４１と干渉しないようにすることができる（図３および図４参照）。

図３は本発明の一つの実施形態を示す。図中、外輪１０のトラック溝１４を軸方向に移動するボール３０がそのトラック溝１４と接触する点の移動軌跡ｍ_１１、内輪２０のトラック溝２４を軸方向に移動するボール３０がそのトラック溝２４と接触する点の移動軌跡ｍ_０２をそれぞれ破線で示す。また、Ｌ_１１はボール３０の移動軌跡ｍ_１１において外輪１０のトラック溝１４の軸方向寸法を示し、Ｌ_０２はボール３０の移動軌跡ｍ_０２において内輪２０のトラック溝２４の軸方向寸法を示す。

この実施形態の等速自在継手では、図３に示すように、最大作動角時に最も飛び出る位相（位相角φ＝０°）にあるボール３０の接触点Ａ（図中×印）が外輪１０のトラック溝１４から外れるようにそのトラック溝１４を短くする。つまり、ボール３０の移動軌跡ｍ_１１において外輪１０のトラック溝１４の軸方向寸法Ｌ_１１が、従来の等速自在継手の場合（図１０参照）、すなわち、ボール１３０の移動軌跡ｍ_０１において外輪１１０のトラック溝１１４の軸方向寸法Ｌ_０１よりも短くなっている（Ｌ_０１＞Ｌ_１１）。

このように外輪１０のトラック溝１４を軸方向で短くすることにより、継手が作動角をとる時、外輪１０の開口端１８とシャフト５０との間に、さらに作動角がとれるようなスペースを作り出すことができ、シャフト５０との干渉を回避して継手の高角化を実現することが容易となり、従来の等速自在継手の場合（図１０参照）よりも最大作動角を大きくすることができる（θ_０＜θ_１）。

なお、図３に示す実施形態では、ボール３０の移動軌跡ｍ_０２において内輪２０のトラック溝２４の軸方向寸法Ｌ_０２については、従来の等速自在継手の場合（図１０参照）と同様、つまり、ボール１３０の移動軌跡ｍ_０２において内輪１２０のトラック溝１２４の軸方向寸法Ｌ_０２と同一であり、最大作動角時に最も飛び出る位相（位相角φ＝０°）にあるボール３０の接触点Ｂが内輪２０のトラック溝２４から外れていない。

図４は本発明の他の実施形態を示す。前述した図３の実施形態と同一部分には同一参照符号を付して重複説明は省略する。この実施形態の等速自在継手では、図４に示すように、最大作動角時に最も飛び出る位相（位相角φ＝０°）にあるボール３０の接触点Ｂが内輪２０のトラック溝２４から外れるようにそのトラック溝２４を短くする。つまり、ボール３０の移動軌跡ｍ_１２において内輪２０のトラック溝２４の軸方向寸法Ｌ_１２が、従来の等速自在継手の場合（図１０参照）、すなわち、ボール１３０の移動軌跡ｍ_０２において内輪１２０のトラック溝１２４の軸方向寸法Ｌ_０２よりも短くなっている（Ｌ_０２＞Ｌ_１２）。

この実施形態のように、ボール３０の接触点Ｂが内輪２０のトラック溝２４から外れるようにそのトラック溝２４を短くしたことにより、内輪２０のコンパクト化及びケージ４０への組み込みが容易になる点で有効である。

なお、最も飛び出る位相にあるボール３０（位相角φ＝０°）とその両隣に位置するボール３０の接触点Ａ，Ｂが外輪１０のトラック溝１４あるいは内輪２０のトラック溝２４から外れると、合計３個のボール３０の接触点Ａ，Ｂが外輪１０のトラック溝１４あるいは内輪２０のトラック溝２４から外れることになり、等速自在継手の機能上支障を来たすことになる。従って、外輪１０のトラック溝１４あるいは内輪２０のトラック溝２４を軸方向に短くする場合、同時に３個以上のボール３０の接触点Ａ，Ｂが外輪１０のトラック溝１４あるいは内輪２０のトラック溝２４から外れない範囲とする必要がある。

なお、トラック溝１４，２４との接触点Ａ，Ｂが外れるボール３０については、この等速自在継手の内部特性、つまり、外輪１０のトラック溝１４あるいは内輪２０のトラック溝２４をテーパ状としたことにより、負荷される荷重が非常に小さくなるように設定されていることから、そのボール３０の接触点Ａ，Ｂが外輪１０のトラック溝１４あるいは内輪２０のトラック溝２４から外れることにより不具合が発生する可能性は極めて小さい。

この等速自在継手では、外輪１０のトラック溝１４あるいは内輪２０のトラック溝２４をテーパ状としていることにより、ボール３０の径方向への移動量が増加することから、ボール３０とケージ４０のポケット４６との接触点を確保するためにケージ４０の外輪開口端側の肉厚を大きく設定する必要がある。この実施形態の等速自在継手では、後述するようにケージオフセット量ｆを従来よりも大きく設定することにより、ケージ４０の外輪開口端側の肉厚を大きくしてボール３０とケージ４０のポケット４６との接触点を確保することを容易にしている。なお、ケージ４０の外輪反開口端側では、ボール３０とケージ４０のポケット４６との接触点が外れる可能性はあるが、負荷される荷重が非常に小さいために問題はない。

外輪１０と内輪２０が最大作動角θ_１をとったとき、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５参照）。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６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７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７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８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。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

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。 本発明の実施形態で、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。 本発明の他の実施形態で、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。 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９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。

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
１８ 開口端
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
３０ ボール
４０ ケージ
４２ ケージの外球面
４４ ケージの内球面
Ａ，Ｂ 接触点
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
α トラック溝のテーパ角度

Claims (6)

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曲率中心は外側継手部材の内球面中心に対して、かつ、内側継手部材のトラック溝の曲率中心は内側継手部材の外球面中心に対して軸方向反対側にオフセットされ、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、
   最大作動角時に外側継手部材のトラック溝から最も飛び出る位相にあるボールの少なくとも前記外側継手部材のトラック溝との接触点をそのトラック溝から外し、かつ、同時に３個以上のボールの少なくとも前記外側継手部材のトラック溝との接触点がそのトラック溝から外れない範囲で、外側継手部材のトラック溝を軸方向に短くしたことを特徴とする固定式等速自在継手。
2. 前記ケージの外球面の開口側端部を軸方向に向けて延在させ、ケージの内球面の開口側端部を外球面の開口側端部に向けて拡径するテーパ状とした請求項１に記載の固定式等速自在継手。
3. 前記ケージの内球面の開口側端部のテーパ角度を、外側継手部材と内側継手部材がなす最大作動角の半分以上とした請求項２に記載の固定式等速自在継手。
4. 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１〜３のいずれか一項に記載の固定式等速自在継手。
5. 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中心との距離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１〜４のいずれか一項に記載の固定式等速自在継手。
6. 前記ボールの個数を６個あるいは８個とした請求項１〜５のいずれか一項に記載の固定式等速自在継手。

Images