JP2008232296A - トリポード型等速自在継手 - Google Patents

Abstract

【課題】シングル・ローラ・タイプのトリポード型等速自在継手では、２軸が角度をとった状態で回転するとき、脚軸の外周に配列した針状ころが転動する。特に過酷な条件下でのトリポード部材の脚軸の転動疲労寿命を向上させる。
【解決手段】シングル・ローラ・タイプのトリポード型等速自在継手において、トリポード部材20の脚軸24に浸炭窒化焼入れ焼戻しによる表層を設け、かつ、ローラ30を支持する針状ころ32との接触部直下における浸炭窒化層深さを0.05mm以上とする。
【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装置に使用される等速自在継手、より詳しくはトリポード型の等速自在継手に関する。

トリポード型等速自在継手は、外側継手部材と、内側継手部材としてのトリポード部材とを有し、両者間でトルクを伝達するための要素として、トリポード部材の脚軸と外側部材との間にローラが介在させてある。トリポード型等速自在継手で連結すべき２軸のうちの一方を外側継手部材と接続し、もう一方をトリポード部材と接続する。

トリポード型等速自在継手の一例を示す図１を参照して説明すると、外側継手部材１０の内周面の軸方向に３本の円筒形トラック溝１４が形成してあり、外側継手部材１０内に挿入したトリポード部材２０の半径方向に突出した３本の脚軸２４の円筒状の外周面２６に複数の針状ころ３２を介して回転可能に円環状のローラ３０が装着してあり、各ローラ３０はトラック溝１４に収容させてある（特許文献１参照）。トラック溝１４の側壁はローラ３０が転動するローラ案内面１６となり、ローラ３０の外周面がローラ案内面１６と接触することによって外側継手部材１０とトリポード部材２０との間において回転トルクが伝達される。

トルク伝達要素として単一のローラを使用するシングル・ローラ・タイプ（特許文献１の図１０参照）と、同心状の２つのリング体を使用するダブル・ローラ・タイプ（特許文献１の図１参照）があるが、この発明は前者を対象としている。
特開２０００−３２０５６３号公報 特開平８−４７７４号公報 特開２００１−２００８５９号公報

シングル・ローラ・タイプのトリポード型等速自在継手では、２軸が角度をとった状態で回転するとき、脚軸２４の外周に配列した針状ころ３２が脚軸２４の外周面２６上を転動する。このため、特に過酷な条件下では、脚軸２４の表面にピーリングやスミアリングといった異常が発生するおそれがある。脚軸２４の表面にピーリングやスミアリングが発生すると脚軸２４の転動疲労寿命の劣化につながる。

軸受部品の転動疲労に対して長寿命を与える熱処理方法として、焼入れ加熱時の雰囲気ガス中に、さらにアンモニアガスを添加するなどして、その軸受部品の表層部浸炭窒化処理を施す方法が知られている。この浸炭窒化処理を用いることにより、表層部を硬化させ、さらにミクロ組織中に残留オーステナイトを生成させ、転動疲労寿命を向上させることができる（特許文献２参照）。また、特許文献３にはトリポード型等速自在継手のトリポード部材に浸炭窒化層を設けることが記載されている。

この発明の目的は、トリポード型等速自在継手におけるトリポード部材の脚軸の転動疲労寿命を一層向上させることにある。

この発明は、トリポード部材の脚軸に浸炭窒化焼入れ焼戻しによる表層部（浸炭窒化層）を形成し、浸炭窒化層深さを転動体との接触部位の直下で０．０５ｍｍ以上とすることによって課題を解決したものである。

すなわち、この発明は、シングル・ローラ・タイプのトリポード型等速自在継手において、トリポード部材の脚軸に浸炭窒化焼入れ焼戻しによる表層を設け、かつ、ローラを支持する針状ころとの接触部直下における浸炭窒化層深さが０．０５ｍｍ以上であることを特徴とする。０．０５ｍｍ未満では浸炭窒化層が浅すぎて、脚軸のピーリングや剥離寿命の延命には効果が薄いとの判断から、０．０５ｍｍを下限とする。上限については、１．３ｍｍ以下とするのが望ましい。浸炭窒化層深さは１．３ｍｍ以下で機能上十分と判断したためであり、また、窒化層が深くなるほど熱処理時間が長くなることから、適切な深さにとどめて熱処理時間をできるだけ短くするためである。

請求項２の発明は、請求項１のトリポード型等速自在継手において、前記脚軸の表層部における残留オーステナイト量が２０体積％以上４０体積％以下であることを特徴とする。残留オーステナイトは硬度が比較的低く（素材中の炭素含有量によっても異なるが、例えばＨｖ３００程度である。）、接触面に異物噛み込みによる圧痕が形成されても、表層部中に分散したオーステナイト粒が圧紺周縁で容易に塑性変形して、表層部での応力集中を緩和し、亀裂伝播を遅延させる。また、残留オーステナイトは、表層部に加わる変形エネルギーによって、マルテンサイト変態を起こして硬化する。そのため、表層部に残留オーステナイトを適正量含ませることにより、表層部の亀裂敏感性を改善し、表面起点型損傷の発生を抑制して、転動疲労寿命を向上させることができる。

表層部の残留オーステナイト量が２０体積％未満であると、表層部の亀裂敏感性を十分に改善することができず、逆に表層部の残留オーステナイト量が４０体積％を越えても、亀裂敏感性の改善はそれ以上期待できない一方、表面硬さが低下し、却って転動疲労寿命を低下させてしまう結果となる。したがって、表層部の残留オーステナイト量は、２０体積％以上４０体積％以下の範囲内とするのがよい。なお、当該表層部は、脚軸の少なくとも接触面の直下に形成すればよく、接触面の直下にのみ表層部を形成した構成、接触面およびその周辺の表面の直下に表層部を形成した構成、脚軸の全表面の直下に表層部を形成した構成を含む。

請求項３の発明は、請求項１または２のトリポード型等速自在継手において、前記トリポード部材の材料が炭素含有量０．１５重量％以上０．４０重量％以下の鋼であることを特徴とする。トリポード部材の母材の炭素含有量は、脚軸の芯部の硬さを左右するため、疲労強度確保の観点から０．１５〜０．４０重量％の範囲内とするのが好ましい。炭素含有量が０．１５重量％よりも低くなると、浸炭に要する時間が長くなってしまうと同時に、芯部の硬さが不足し、満足する疲労強度が得られない。逆に、炭素含有量が０．４重量％よりも多くなると、芯部の硬さが上昇し、靭性が著しく低下し、同時に歪も増加する。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれか１項のトリポード型等速自在継手において、前記脚軸の表面硬度がＨＲＣ５７以上であることを特徴とする。強度と耐久性を確保するために硬度が必要であり、材質特性と過去の実績に基づき、ＨＲＣ５７を下限としたものである。

この発明によれば、トリポード型等速自在継手におけるトリポード部材の脚軸部の転動疲労寿命が延長される。したがって、従来のサイズを維持したまま、より耐久性や強度に優れたトリポード型等速自在継手を提供することができる。あるいは、従来品と同等以上の耐久性や強度を確保しつつ、より小型のトリポード型等速自在継手を提供することが可能となる。

以下、図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。
図１に示すように、トリポード型等速自在継手は、連結すべき２軸のうちの一方の回転軸と接続する外側継手部材１０と、もう一方の回転軸と接続するトリポード部材２０と、両者間に介在するトルク伝達要素としてのローラ３０を主要な構成要素としている。

外側継手部材１０はマウス部１２とステム部１８とからなり、マウス部１２は中空カップ状で、円周方向等分位置に、軸方向に延びる３本のトラック溝１４が配置してある。マウス部１２の閉じた端部にステム部１８が一体的に形成してあり、このステム部１８のセレーション部で、図示しない回転軸とトルク伝達可能に接続するようになっている。各トラック溝１４は向かい合った側壁にローラ案内面１６が形成してある。ローラ案内面１６は、外側継手部材１０の軸線と平行な円筒面の一部すなわち部分円筒面である。外側継手部材１０の横断面は、図１（Ｂ）から分かるように、円周方向に交互に現れる小内径部と大内径部をローラ案内面１６で接続した３弁の花冠状を呈している。このような形状から外側継手部材１０はチューリップとも呼ばれる。

トリポード部材２０は、ボス部２２と、ボス部２２の円周方向三等分位置から半径方向に突出した脚軸２４とからなり、その形状からスパイダとも呼ばれる。ボス部２２には上で述べたように回転軸とトルク伝達可能に接続するためのセレーション孔が形成してある。各脚軸２４は、円筒形外周面２６と、軸端付近に形成した環状の輪溝２８を有している。脚軸２４は、複数の針状ころ３２を介して回転自在にローラ３０を支持している。脚軸２４の外周面２６が針状ころ３２の内側軌道面を提供し、ローラ３０の円筒形内周面が針状ころ３２の外側軌道面を提供する。

図１（Ｃ）に示すように、針状ころ３２はトリポード部材２０の半径方向で見た外側の端面にてアウタ・ワッシャ３４と接し、反対側の端面にてインナ・ワッシャ３８と接する。アウタ・ワッシャ３４は脚軸２４の輪溝２８に装着したサークリップ３６で軸方向移動を規制されるため、結局、針状ころ３２も軸方向移動を規制される。アウタ・ワッシャ３４は、脚軸２４の半径方向に延びた円盤部３４ａと、脚軸２４の軸線方向に延びた円筒部３４ｂとからなる。アウタ・ワッシャ３４の円筒部３４ａはローラ３０の内径より小さな外径を有し、トリポード部材２０の半径方向で見た外側の端部３４ｃにてローラ３０の内径よりも大径に拡大している。したがって、ローラ３０は脚軸２４の軸線方向に移動することができる。

ローラ３０の外周面は球面の一部すなわち部分球面状で、軸線上に曲率中心をもつもの、あるいは、軸線から半径方向に離れた位置に曲率中心をもつものなどがある。ローラとローラ案内面との接触形態にはアンギュラ・コンタクト（図２（Ａ））とサーキュラ・コンタクト（図２（Ｂ））の二通りがある。アンギュラ・コンタクトはある接触角θをもち、二点で接触する。サーキュラ・コンタクトは横断面で見て円弧同士の接触となる。なお、図２ではローラの外周面の曲率半径を符号ｒで表し、ローラ案内面の曲率半径を符号Ｒで表してある。符合Ｔはトルクを表す。

ローラ３０とローラ案内面１６との接触率すなわち、ローラ３０の外周面の曲率半径に対するローラ案内面１６の曲率半径の比の値は、小さいとトルク負荷時、接触楕円が大きくなり、ローラ３０の幅を越えてしまい短寿命となる。逆に、接触率が大きいと接触楕円は小さくなるが、面圧が高くなり、接触部の摩耗が促進され、短寿命となる。ただし、トリポード型等速自在継手の面圧は、構造上、脚軸２４／針状ころ３２間が最も厳しくなっているため、この部分の面圧を超えないように、接触率を設定すればよい。具体的には、この接触率は１．０２〜１．２の範囲が好ましく、より好ましくは１．０５〜１．１８の範囲とする。

接触楕円長さがローラ３０の幅長さＬｓ以下になるように接触率を設定することにより、ローラ３０の幅を小さくすることが可能となる。また、そうすることによって外側継手部材１０ひいてはトリポード型等速自在継手全体のコンパクト化に寄与する。具体的には、ローラ３０の幅Ｌｓと外径ｄｏとの比の値Ｌｓ／ｄｏを０．３２以下、より好ましくは０．２４〜０．２７とする。

トリポード部材２０の脚軸２４に浸炭窒化焼入れ焼戻しによる表層部（浸炭窒化層）を形成して回転耐久試験を実施した。その結果を表１に示す。比較のため、脚軸に浸炭焼入れ焼戻しによる表層部浸炭層を形成した試料（比較例１、比較例２）での試験結果も併記する。脚軸外周面の損傷（剥離、摩耗等）が一定割合を越えた運転時間を寿命とした。比較例１が目標時間を満足せず、比較例２が目標時間を満足したにとどまるのに対して、実施例１、実施例２はいずれも目標時間を十分満足している。この結果より、浸炭窒化層を設けることにより転動疲労寿命が延長されたことが判る。

（Ａ）はこの発明の実施の形態を示すトリポード型等速自在継手の縦断面図、（Ｂ）は横断面図、(Ｃ)は図１（Ｂ）の部分拡大図である。 ローラとローラ案内面との接触部の拡大断面図であって、（Ａ）はアンギュラ・コンタクトの例、（Ｂ）はサーキュラ・コンタクトの例を示す。

符号の説明

１０ 外側継手部材
１２ マウス部
１４ トラック溝
１６ ローラ案内面
１８ ステム部
２０ トリポード部材
２２ ボス部
２４ 脚軸
２６ 外周面
２８ 輪溝
３０ ローラ
３２ 針状ころ軸受
３４ アウタ・ワッシャ
３６ サークリップ
３８ インナ・ワッシャ

Claims (4)

1. シングルローラタイプのトリポード型等速自在継手において、トリポード部材の脚軸に浸炭窒化焼入れ焼戻しによる表層を設け、かつ、ローラを支持する針状ころとの接触部直下における浸炭窒化層深さが０．０５ｍｍ以上であるトリポード型等速自在継手。
2. 前記脚軸の表層部における残留オーステナイト量が２０体積％以上４０体積％以下である請求項１のトリポード型等速自在継手。
3. 前記トリポード部材の材料が炭素含有量０．１５重量％以上０．４０重量％以下の鋼である請求項１または２のトリポード型等速自在継手。
4. 前記脚軸の表面硬度がＨＲＣ５７以上である請求項１から３のいずれか１項のトリポード型等速自在継手。