JP2010001951A - 等速自在継手用外方部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷間鍛造により成形されたトラック溝の寸法精度を簡便な手段でもって向上させる。
【解決手段】 内輪との間で角度変位を許容しながらトルクを伝達する等速自在継手に装備され、軸方向に延びる複数のトラック溝１１が内球面１０に形成された外輪１２であって、トラック溝１１は、内輪との間に介在するボールが転動するボール転動部１８および底部で軸方向に延びる凹溝１９を有し、それらボール転動部１８および凹溝１９が冷間鍛造により同時成形され、かつ、そのボール転動部１８が未研削状態である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば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等速自在継手の構成部品の一つである外方部材及びその製造方法に関する。

例えば、自動車のエンジンから車輪に回転力を等速で伝達する手段として使用される等速自在継手の一種に固定式等速自在継手がある。この固定式等速自在継手は、駆動側と従動側の二軸を連結してその二軸が作動角をとっても等速で回転トルクを伝達し得る構造を備えている。トルク伝達要素であるボールを用いたボールタイプの固定式等速自在継手としては、ツェッパ型（ＢＪ）やアンダーカットフリー型（ＵＪ）が広く知られている。また、ボールの個数は６個または８個が代表的である。

図５（ａ）（ｂ）は、例えばアンダーカットフリー型の等速自在継手を例示する。この等速自在継手は、軸方向に延びる複数のトラック溝１１１が内球面１１０の円周方向等間隔に形成された外方部材としての外輪１１２と、外輪１１２のトラック溝１１１と対をなして軸方向に延びる複数のトラック溝１１４が外球面１１３の円周方向等間隔に形成された内方部材としての内輪１１５と、外輪１１２のトラック溝１１１と内輪１１５のトラック溝１１４との間に介在してトルクを伝達する複数のボール１１６と、外輪１１２の内球面１１０と内輪１１５の外球面１１３との間に介在してボール１１６を保持するケージ１１７とを備えている。

なお、この等速自在継手は、軸方向と平行なストレート部１１１ａ，１１４ａを有するトラック溝１１１，１１４を持つ外輪１１２および内輪１１５を具備し、図示しないが、ツェッパ型の等速自在継手は、軸方向の縦断面が単一の円弧面形状を有するトラック溝を持つ外輪および内輪を具備する。

この種の等速自在継手を、例えば自動車のドライブシャフトに使用した場合、外輪１１２を従動軸に連結し、内輪１１５に車体側のディファレンシャルに取り付けられた摺動式等速自在継手から延びる駆動軸をスプライン嵌合で連結した構造が一般的である。この等速自在継手では、外輪１１２と内輪１１５との間に作動角が付与されると、ケージ１１７に収容されたボール１１６は常にどの作動角においても、その作動角の二等分面内に維持され、継手の等速性が確保される。

この等速自在継手の構成部品の一つである外輪１１２は、図６（ａ）（ｂ）に示すようにその内球面１１０に形成された複数のトラック溝１１１を冷間鍛造により成形したものが一般的である。ここで、冷間鍛造とは、塑性加工の一種である鍛造を常温で行うことを意味する。

この外輪１１２のトラック溝１１１は、冷間鍛造により成形した後、そのトラック溝寸法のバラツキを抑制して所定の加工精度を確保するため、最終的にトラック溝を研削により仕上げ加工するようにしている。

また、例えば特許文献１に開示された冷間鍛造によるトラック溝の成形では、トラック溝の成形時、そのトラック溝の底部に逃げ溝を予め形成しておき、その後、トラック溝を冷間鍛造により成形し、最終的にトラック溝における逃げ溝を除く部分を研削により仕上げ加工している。この特許文献１に開示された逃げ溝は、トラック溝の底部を研削により仕上げ加工することが困難であることから、その研削による仕上げ加工を回避するために設けられたものである。
特開昭６０−１８６３３４号公報

ところで、従来の等速自在継手における外輪では、前述したように内球面に形成されたトラック溝を冷間鍛造により成形することから、トラック溝の寸法バラツキが大きい。

一方、この種の等速自在継手では、その作動性を確保するために各部にすきまを設定する必要があり、例えば、ＰＣＤ（ピッチ円直径）すきまを適正値に設定する必要がある。ここで、ＰＣＤすきまとは、外輪のトラック溝に接触した状態でのボールのＰＣＤ（外輪ＰＣＤ）と、内輪のトラック溝に接触した状態でのボールのＰＣＤ（内輪ＰＣＤ）との差を意味する。

従って、前述したように外輪のトラック溝の寸法バラツキが大きいと、その外輪に内輪、ケージおよびボールを組み込んだアッセンブリとした時にＰＣＤすきまを適正値にするために、外輪の寸法に対応させて内輪、ケージおよびボールについても広範囲の寸法を有するものを予め用意しておく必要がある。このように外輪に対する内部部品のマッチングにおいて部品のロスが発生したり、また、マッチング作業が煩雑となる。

そのため、トラック溝の寸法バラツキを抑制して所定の加工精度を確保する必要性から、最終的にトラック溝の全体を研削により仕上げ加工している。特許文献１に開示されたトラック溝では、トラック溝における逃げ溝を除く部分を研削により仕上げ加工している。しかしながら、研削による仕上げ加工には手間がかかり、工数増加を招くという問題がある。

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、冷間鍛造により成形されたトラック溝の寸法精度を簡便な手段でもって向上させ得る等速自在継手用外方部材及びその製造方法を提供することにある。

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、内方部材との間で角度変位を許容しながらトルクを伝達する等速自在継手に装備され、軸方向に延びる複数のトラック溝が内周面に形成された外方部材であって、トラック溝は、内方部材との間に介在するボールが転動するボール転動部および底部で軸方向に延びる凹溝を有し、ボール転動部および凹溝が冷間鍛造により成形され、かつ、ボール転動部が未研削状態であることを特徴とする。

本発明における外方部材のトラック溝は、ボール転動部および凹溝の両方を冷間鍛造により成形し、そのボール転動部を未研削状態とする。これにより、従来においてトラック溝を仕上げていた研削工程を省略することができ、等速自在継手の低コスト化が図れる。つまり、ボール転動部の冷間鍛造と共にトラック溝底部の凹溝も冷間鍛造により成形することから、その冷間鍛造で凹溝からボール転動部への塑性流動により、そのボール転動部を研削することなく、冷間鍛造のままでボール転動部における形状および寸法精度を確保することができる。

本発明における外方部材のトラック溝は、継手開口側に軸方向と平行なストレート部を有し、継手反開口側に円弧部を有することが望ましい。つまり、本発明は、軸方向と平行なストレート部を有するトラック溝を持つアンダーカットフリー型の等速自在継手に適用することが有効である。なお、トラック溝の数は８であることが望ましい。つまり、８個ボールの等速自在継手に適用可能である。

本発明を前述のアンダーカットフリー型の等速自在継手に適用した場合、凹溝をトラック溝の円弧部に形成することが望ましい。このようにすれば、外方部材の開口側に位置するトラック溝のストレート部の最小肉厚を確保することができて強度を維持できる。

また、外方部材のトラック溝における寸法精度を冷間鍛造による成形のみで確保できることから、トラック溝の円弧部の曲率中心が半径方向に継手中心を通る中心軸に対してトラック溝とは反対側にオフセットされている外方部材を具備した等速自在継手に有効である。つまり、トラック溝の円弧部の曲率中心を半径方向にオフセットすることにより、トラック溝の円弧部での溝深さが増加してトルク容量を向上させることができる。このようにトラック溝の円弧部での溝深さが増加しても、前述したようにトラック溝を冷間鍛造のみで成形することが容易である。

次に、本発明は、内方部材との間で角度変位を許容しながらトルクを伝達する等速自在継手に装備され、軸方向に延びる複数のトラック溝が内周面に形成された外方部材の製造方法であって、トラック溝は、内方部材との間に介在するボールが転動するボール転動部および底部で軸方向に延びる凹溝を冷間鍛造により同時成形してボール転動部を仕上げ加工することを特徴とする。

本発明方法では、トラック溝のボール転動部および凹溝を冷間鍛造により同時成形して仕上げ加工することにより、その冷間鍛造の同時成形で凹溝からボール転動部への塑性流動でもって、冷間鍛造のみでボール転動部の形状および寸法精度が安定して得られる。

この方法において、冷間鍛造によるトラック溝の成形は、外方部材の内周面を成形する第一の成形面と、凹溝を成形する第二の成形面と、その第一の成形面と第二の成形面との間に位置し、ボール転動部を成形する第三の成形面とを持つ冷間鍛造用パンチにより行うことが望ましい。このような冷間鍛造用パンチを用いることにより、凹溝からボール転動部への塑性流動を促進させることができ、冷間鍛造のみによりボール転動部の形状および寸法を確保することが容易となる。

なお、本発明は、軸方向と平行なストレート部を有するトラック溝を持つ外方部材を具備したアンダーカットフリー型の固定式等速自在継手（ＵＪ）以外に、軸方向の縦断面が単一の円弧面形状を有するトラック溝を持つ外方部材を具備したツェッパ型の固定式等速自在継手（ＢＪ）にも適用可能である。

本発明では、トラック溝のボール転動部および凹溝の両方を冷間鍛造により同時成形することにより、その冷間鍛造で凹溝からボール転動部への塑性流動により、ボール転動部を研削することなく、冷間鍛造のままでボール転動部における形状および寸法精度を確保することができ、低コストの等速自在継手を提供することができる。

本発明の実施形態を詳述する。図２（ａ）（ｂ）は、軸方向と平行なストレート部を有するトラック溝を持つ外方部材を具備したアンダーカットフリー型の固定式等速自在継手（ＵＪ）を例示する。なお、本発明は、図示しないが、軸方向の縦断面が単一の円弧面形状を有するトラック溝を持つ外方部材を具備したツェッパ型の固定式等速自在継手（ＢＪ）にも適用可能である。

図２（ａ）（ｂ）に示す等速自在継手は８個ボールタイプのもので、軸方向に延びる複数のトラック溝１１が内球面１０の円周方向等間隔に形成された外方部材としての外輪１２と、外輪１２のトラック溝１１と対をなして軸方向に延びる複数のトラック溝１４が外球面１３の円周方向等間隔に形成された内方部材としての内輪１５と、外輪１２のトラック溝１１と内輪１５のトラック溝１４との間に介在してトルクを伝達する８個のボール１６と、外輪１２の内球面１０と内輪１５の外球面１３との間に介在してボール１６を保持するケージ１７とを備えている。

この等速自在継手における外輪１１のトラック溝１１は、継手開口側である外輪１１の開口側に軸方向と平行なストレート部１１ａを有し、継手反開口側である外輪１１の奥側に円弧部１１ｂを有する。また、内輪１５のトラック溝１４は、外輪１１の奥側に軸方向と平行なストレート部１４ａを有し、外輪１１の開口側に円弧部１４ｂを有する。

外輪１２のトラック溝１１の円弧部の曲率中心Ｏ_１および内輪１５のトラック溝１４の円弧部の曲率中心Ｏ_２は、ボール中心Ｏ_３を含む継手中心Ｏに対して等距離ｆだけ軸方向に逆向きにオフセットされ、さらに、等距離Ｆだけ半径方向に継手中心Ｏを通る中心軸に対してトラック溝とは反対側にオフセットされている。なお、外輪１２の内球面１０（ケージ１７の外球面）の曲率中心および内輪１５の外球面１３（ケージ１７の内球面）の曲率中心は前述の継手中心Ｏと一致している。

このように、継手軸方向のオフセットにより、一対のトラック溝１１，１４からなるボールトラックを外輪１２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に形成している。また、継手半径方向のオフセットにより、トラック溝１１，１４の円弧部１１ｂ，１４ｂでの溝深さが増してトルク容量の向上が図れる。

この等速自在継手を、例えば自動車のドライブシャフトに使用した場合、外輪１２を従動軸に連結し、車体側のディファレンシャルに取り付けられた摺動式等速自在継手から延びる駆動軸（シャフト）を内輪１５にスプライン嵌合で連結した構造としている。この等速自在継手では、外輪１２と内輪１５との間に作動角が付与されると、ケージ１７に収容されたボール１６は常にどの作動角においても、その作動角の二等分面内に維持され、継手の等速性が確保される。

この等速自在継手の構成部品の一つである外輪１２は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、内輪１５との間に介在するボール１６が転動するボール転動部１８および底部で軸方向に延びる凹溝１９を有し、ボール転動部１８および凹溝１９が冷間鍛造により成形され、かつ、ボール転動部１８が未研削状態であるトラック溝１１を備えている。なお、凹溝１９は、外輪１１の奥側に位置するトラック溝１１の円弧部１１ｂに形成されている。このように凹溝１９を円弧部１１ｂに形成したことにより、外輪１２の開口側に位置するトラック溝１１のストレート部１１ａの最小肉厚を確保することができて強度を維持できる。

このトラック溝１１のボール転動部１８は、冷間鍛造により成形された未研削状態であるため、従来においてトラック溝１１１を仕上げていた研削工程を省略することができ、等速自在継手の低コスト化が図れる。また、このトラック溝１１の底部に軸方向に延びる凹溝１９がボール転動部１８と共に冷間鍛造により成形されているので、その冷間鍛造で凹溝１９からボール転動部１８への塑性流動により、そのボール転動部１８を研削することなく、冷間鍛造のままでボール転動部１８における形状および寸法精度を確保することができる。

なお、等速自在継手の内部には、耐久性を良好にするため、潤滑剤が充填されているが、凹溝１９は、この潤滑剤の溜まり部としても作用し、潤滑性の向上および発熱の低下に寄与し、ひいては耐久性の向上を図ることができる。また、高作動角、高トルク条件では、トラック溝１１の変形がボール転動部１８と内球面１０とのエッジ部だけでなく、ボール転動部１８と凹溝１８とのエッジ部にも分散されるので、その変形量を抑制することができ、強度および耐久性の向上が図れる。

また、トラック溝１１における寸法精度を冷間鍛造による成形のみで確保できることから、トラック溝１１の円弧部１１ｂの曲率中心Ｏ_１を半径方向に継手中心Ｏを通る中心軸に対してトラック溝とは反対側にオフセットすることにより、トラック溝１１の円弧部１１ｂでの溝深さが増加してトルク容量を向上させることができる。このようにトラック溝１１の円弧部１１ｂでの溝深さが増加しても、前述したようにトラック溝１１を冷間鍛造により成形することが容易となっている。

図３は、外輪１２のトラック溝１１と、そのトラック溝上を転動するボール１６との接触状態を示す。同図に示すようにトラック溝１１，１４の横断面形状は、ボール１６の半径ｒよりも大きな曲率半径Ｒで形成されたゴシックアーチ状をなす。このトラック溝１１の横断面形状をゴシックアーチ状としたことにより、ボール１６はトラック溝１１のそれぞれに対して二点で接触するアンギュラ接触となっている。なお、トラック溝１１の両側、つまり、外輪１２の内球面１０とボール転動部１８との間には、必要に応じて、エッジタッチ等の干渉を防止するためのチャンファ部２０（面取り部）が設けられている場合がある。

このアンギュラ接触において、ボール１６のトラック溝１１に対する接触角αは、ボール１６の中心Ｏ_３を基準としてボール１６とトラック溝１１とが接触するボール接触中心Ｐとトラック溝１１の溝底中心Ｑとのなす角度である。

前述の外輪１２は、トラック溝１１のボール転動部１８および凹溝１９を冷間鍛造により同時成形してボール転動部１８を仕上げ加工することにより製作される。なお、外輪１２の内球面１０とボール転動部１８との間にチャンファ部２０が設けられている場合には、そのチャンファ部２０も冷間鍛造により成形される。

このように、トラック溝１１のボール転動部１８および凹溝１９を冷間鍛造により同時成形してボール転動部１８を仕上げ加工することにより、その冷間鍛造の同時成形で凹溝１９からボール転動部１８への塑性流動、および外輪１１の内球面１０（あるいはチャンファ部１９）からボール転動部１８への塑性流動でもって、冷間鍛造のみでボール転動部１８の形状および寸法精度が安定して得られる。

この冷間鍛造によるトラック溝１１の成形は、図４に示す冷間鍛造用パンチ２１で同時に行うことができる。この冷間鍛造用パンチ２１は、外輪１２の内球面１０を成形する第一の成形面２２と、凹溝１９を成形する第二の成形面２３と、その第一の成形面２２と第二の成形面２３との間に介在し、ボール転動部１８を成形する第三の成形面２４とを持つ。なお、外輪１２の内球面１０とボール転動部１８との間にチャンファ部２０を設ける場合には、第一の成形面２２と第三の成形面２４との間に第四の成形面２５を有する。

このような冷間鍛造用パンチ２１を用いることにより、トラック溝１１において、凹溝１９および内球面１０（あるいはチャンファ部２０）からボール転動部１８への塑性流動を促進させることができ、冷間鍛造のみによりボール転動部１８の形状および寸法精度を確保することが容易となる。

なお、図４では、各成形面２２〜２５による押圧力を矢印で示している。第二の成形面２３における第三の成形面２４との境界部分（図中Ｍ部分）で、凹溝１９を成形する第二の成形面２３による押圧力の作用方向が、ボール転動部１８を成形する第三の成形面２４側へ向くことにより、凹溝１９からボール転動部１８への塑性流動が促進される。また、第一の成形面２２における第三の成形面２４との境界部分（図中Ｎ部分）で、内球面１０を成形する第一の成形面２２による押圧力の作用方向が、ボール転動部１８を成形する第三の成形面２４側へ向くことにより、内球面１０（あるいはチャンファ部２０）からボール転動部１８への塑性流動が促進される。

この種の等速自在継手では、その作動性を確保するために各部にすきまを設定する必要があり、例えば、ＰＣＤ（ピッチ円直径）すきまを適正値に設定する必要がある。ＰＣＤすきまとは、外輪１２のトラック溝１１に接触した状態でのボール１６のＰＣＤ（外輪ＰＣＤ）と、内輪１５のトラック溝１４に接触した状態でのボール１６のＰＣＤ（内輪ＰＣＤ）との差である。

従って、前述したようにトラック溝１１のボール転動部１８の形状および寸法精度が安定して得られることから、その外輪１２に内輪１５、ケージ１７およびボール１６を組み込んだアッセンブリとした時にＰＣＤすきまを適正値にするために、外輪１２の寸法に対応させて内輪１５、ケージ１７およびボール１６についても広範囲の寸法を有するものを予め用意しておく必要がない。その結果、外輪１２に対する内部部品のマッチングにおいて部品のロスが少なくて済み、また、マッチング作業が容易となって低コスト化が図れる。

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。

本発明の実施形態で、（ａ）はアンダーカットフリー型の固定式等速自在継手の構成部品の一つである外輪を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。 本発明の実施形態で、（ａ）はアンダーカットフリー型の固定式等速自在継手の全体構成を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）の横断面図である。 外輪のトラック溝とボールとの接触状態を示す要部拡大断面図である。 外輪のトラック溝と凹溝を冷間鍛造により成形するためのポンチを示す拡大断面図である。 （ａ）は従来におけるアンダーカットフリー型の固定式等速自在継手の全体構成を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）の横断面図である。 （ａ）は従来におけるアンダーカットフリー型の固定式等速自在継手の構成部品の一つである外輪を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。

符号の説明

１０ 外方部材（外輪）の内周面
１１ 外方部材（外輪）のトラック溝
１１ａ ストレート部
１１ｂ 円弧部
１２ 外方部材（外輪）
１８ ボール転動部
１９ 凹溝
２１ 冷間鍛造用パンチ
２２ 第一の成形面
２３ 第二の成形面
２４ 第三の成形面

Claims (7)

1. 内方部材との間で角度変位を許容しながらトルクを伝達する等速自在継手に装備され、軸方向に延びる複数のトラック溝が内周面に形成された外方部材であって、前記トラック溝は、内方部材との間に介在するボールが転動するボール転動部および底部で軸方向に延びる凹溝を有し、前記ボール転動部および凹溝が冷間鍛造により成形され、かつ、前記ボール転動部が未研削状態であることを特徴とする等速自在継手用外方部材。
2. 前記トラック溝は、継手開口側に軸方向と平行なストレート部を有し、継手反開口側に円弧部を有する請求項１に記載の等速自在継手用外方部材。
3. 前記トラック溝の数が８である請求項２に記載の等速自在継手用外方部材。
4. 前記凹溝は、トラック溝の円弧部に形成されている請求項２又は３に記載の等速自在継手用外方部材。
5. 前記トラック溝の円弧部は、その曲率中心が半径方向にオフセットされている請求項２〜４のいずれか一項に記載の等速自在継手用外方部材。
6. 内方部材との間で角度変位を許容しながらトルクを伝達する等速自在継手に装備され、軸方向に延びる複数のトラック溝が内周面に形成された外方部材の製造方法であって、前記トラック溝は、内方部材との間に介在するボールが転動するボール転動部および底部で軸方向に延びる凹溝を冷間鍛造により同時成形して前記ボール転動部を仕上げ加工することを特徴とする等速自在継手用外方部材の製造方法。
7. 前記冷間鍛造によるトラック溝の成形は、外方部材の内周面を成形する第一の成形面と、前記凹溝を成形する第二の成形面と、その第一の成形面と第二の成形面との間に位置し、ボール転動部を成形する第三の成形面とを持つ冷間鍛造用パンチにより行う請求項６に記載の等速自在継手用外方部材の製造方法。

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