JP2012504213A - カルダン軸用の自在継手構造体 - Google Patents

Abstract

本発明はカルダン軸、特に高荷重カルダン軸用の自在継手構造体に関する。この自在継手構造体はヨーク穴を有する２個の継手ヨーク（３）と、ジャーナル十字体（１）とを備えている。ヨーク穴内には、ジャーナル十字体（１）のジャーナル（２）がそれぞれ軸受装置を介して軸受されている。この軸受装置は各ジャーナル（２）のための少なくとも１個のスラスト軸受（１０）と少なくとも１個のラジアル軸受（５）とを備えている。その際、スラスト軸受（１０）はジャーナル肩部（１２）の領域内に配置されている。ヨーク穴（４）はその内側に接触つば（１３）を備え、各ジャーナルのジャーナル肩部（１２）は接触面（１１）を有する。スラスト軸受（１０）は接触面（１１）と接触つば（１３）の間に配置されている。それによって、スラスト軸受（１０）の力の作用と支持の間で最小の距離が実現され、これによりきわめて丈夫なスラスト軸受支持が可能になり、軸方向力を支持するための付加的な取付けリムを省略することができる。得られたスペースはラジアル軸受を大きくするために有利に利用可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前提部分に詳細に記載した特徴を有する、カルダン軸、特に高荷重カルダン軸用の自在継手構造体に関する。

カルダン軸はトルクを伝達するために周知であり、一般的である。その際、継手またはカルダン継手は通常、ジャーナル十字体と、互いに９０°だけ回転する２個のヨークとによって形成されている。ジャーナル十字体の各ジャーナルはヨークの各軸のヨーク穴内に配置されている。カルダン軸、特に高荷重カルダン軸によって大きなトルクを持続的に確実に伝達するために、ジャーナルはヨーク穴内に適切に軸承されている。というのは、運転中ジャーナルが絶えずヨーク穴と相対的に揺動運動するからである。

特に鋼圧延時に圧延機と主駆動装置に設けられる特に高荷重カルダン軸の場合には、数千キロニュートンメートルのオーダーのきわめて大きなトルクが伝達される。これを実現するために、ジャーナルは一般的にラジアル軸受とスラスト軸受によってヨーク穴内に軸承されている。その際、特にスラスト軸受には、次のような注意が向けられる。

軸承の普通のやり方では、軸方向の軸承が滑り軸受要素またはころがり軸受要素を介して行われ、この滑り軸受要素またはころがり軸受要素が外部からヨーク穴に挿入される固定リングに対して支持される。

特許文献１により代替方法が知られている。この代替方法の場合、ジャーナルの軸受が各ヨーク穴の外側領域内の接触つばで支持されている。組立の際、ジャーナル十字体がヨーク穴に通され、そして適当なカバーによってヨーク穴を閉鎖する前に、軸受構造体の挿入が外側から行われる。

その代わりに、ヨーク穴をめくら穴の形に形成することができる。これに関しては特許文献２が参照される。分割されたヨークを必要とするこのような構造の場合には、軸受構造体はヨーク穴に挿入される前に、ジャーナル十字体のジャーナルに嵌合される。

これらのすべての実施形は２つの欠点を有する。スラスト軸受の支持は固定リング、接触つばまたは軸受カバーであるいはヨークと一体に形成されたカバー範囲内のヨーク穴のめくら穴で行われる。しかし、カルダン軸、特に高荷重カルダン軸の場合には非常に大きな力が発生するので、このスラスト軸受を、カルダン軸の回転軸線とは反対側のヨーク穴の領域において支持するために、比較的に大きな材料厚さ、ひいては大きなスペースを必要とする。特にカルダン軸の直径から突出してはいけないヨークがこの領域において円形に形成されているので、支持のために利用される「カバー」の領域ではいずれにせよ小さな材料厚さが供される。

必要な材料厚さは、各ジャーナルのラジアル軸受が延在する領域を制限する。ラジアル軸受のできるだけ外側にある領域がてこの作用の観点から特に有利であるので、このスラスト軸受はそれに関する強度上の欠点を有し、それに伴いラジアル軸受のてこの作用に関する欠点を有する。

さらに、従来技術について２つの他の特許文献３と４を参照すべきである。この両特許文献にはスラスト軸受構造体が記載され、このスラスト軸受構造体は特別な構造によって所定の領域でのみ支持するように形成され一方、他の領域は凹部または部分弾性的な区間によって形成される。それによって、スラスト軸受は領域においてのみ支持するように形成され、この領域では、組み込み位置において運転中、ジャーナルとヨーク穴の相対運動の発生が比較的に小さく、従ってスラスト軸受の軸受荷重が大幅に低減され、それによってカルダン軸の寿命が永くなる。

欧州特許出願公開第０７８５３７０Ａ１号明細書 独国実用新案第２９９２０８３９Ｕ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００５０５８７４２Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００５０５８７４３Ａ１号明細書

本発明の課題は、スラスト軸受に関する上述の欠点を和らげ、特に高荷重カルダン軸の場合にも最小のスペースと共に最長の寿命を保証する自在継手構造体を提供することである。

この課題は本発明に従い、請求項１の特徴部分に記載された特徴によって解決される。

本発明に係る構造は、スラスト軸受だけでなく、カルダン軸穴におけるスラスト軸受の支持を、内側に、すなわちカルダン軸の回転軸寄りのヨーク穴の側に移動させる。それによって、スラスト軸受の力の作用と支持の間で最小の距離が実現され、これによりきわめて丈夫なスラスト軸受支持が可能になり、軸方向力を支持するための付加的な取付けリムを省略することができる。得られたスペースはラジアル軸受を大きくするために有利に利用可能である。

本発明に従い、スラスト軸受の支持とヨークへの力の作用との間の間隔が最小となる。それによって、力はきわめて短い区間を経て、ジャーナル十字体からヨークへ直接伝達される。従って、カルダン軸の回転軸線の方向から外側に位置するヨーク穴とジャーナルの領域は、ジャーナルの軸方向において直接的な力を受けない。これにより、ラジアル軸受の軸受要素は外側へ最大限移動可能であるかまたは拡張される。従って、従来技術と比べて、ラジアル軸受のためにはるかに大きなてこの腕の長さを利用することができる。

カルダン軸の場合トルクの伝達が主としてヨーク穴内のジャーナルのラジアル軸受を経て行われるので、この構造はきわめて有利である。というのは、最大のてこの腕の長さにより、直径が同じである場合、従来技術の実施形の場合よりも大きなトルクを伝達することができるかまたはより永い寿命を実現することができるからである。

自在継手構造体の他の有利な実施形は従属請求項と実施の形態から明らかである。次に、図に基づいてこの実施の形態を詳しく説明する。

本発明に係る自在継手構造体のジャーナル軸受部の第１実施の形態を示す。 本発明に係る自在継手構造体のジャーナル軸受部の第２実施の形態を示す。 本発明に係る自在継手構造体のジャーナル軸受部の第３実施の形態を示す。

図１は自在継手構造体の部分図である。この部分図からジャーナル十字体１の一部が見える。その際、ジャーナル十字体１の１個のジャーナル２がヨーク３またはヨーク３のヨーク穴４内に示されている。ジャーナル２はラジアル軸受５を介してヨーク穴４内で軸受されている。この場合、ラジアル軸受５は軸受穴４の内面と、ジャーナル２の外面と、その間に配置された転動体６によって形成されている。転動体６を備えたラジアル軸受５が原理的にのみ表示されるので、転動体６は単に例示的に示した。一般的には円筒形の転動体が特に有利である。というのは、自在継手構造体によって大きな力またはトルクを伝達しなければならないからである。図示を簡単化するために、ラジアル軸受５の転動体６の数個にのみ参照符号が付けられている。

カルダン軸の回転軸線７とは反対の側で、ヨーク穴４はカバー８によって閉鎖されている。このカバー８は例えば固定手段９、ここではボルトによって、ジャーナル２に連結されている。このカバーは同様にヨーク３に連結してもよい。カルダン軸構造体の最大力またはトルクを伝達する、ヨーク３内のジャーナル２用のこのラジアル軸受５のほかに、ヨーク３とジャーナル十字体１またはジャーナル十字体１のそれぞれのジャーナル２の間で軸方向の力を受け止めるために、スラスト軸受１０が必要である。

この実施形の特徴は、このスラスト軸受１０が各ジャーナル２のジャーナル肩部１２の領域内の接触面１１と、ヨーク３の領域またはカルダン軸の回転軸線７寄りのヨーク穴４の領域の接触つば１３との間に配置されていることにある。その際、純スラスト軸受であるときには、接触面１１と、軸受に一致する接触つば１３の面はそれぞれ、各ジャーナル２の軸線に対して垂直に形成可能である。さらに、半径方向の力成分を伝達すべきであるときには、それに対応する角度に面を設けることができる。

図１において転動体１４によって例示的にころがり軸受として示したスラスト軸受１０は、従来技術に対して、ジャーナル２またはジャーナル肩部１２の接触面の間に、接触つば１３を介してヨーク３に力を伝達しつつ、最小のスペースしか存在しないという利点がある。従って、軸方向の力の伝達はヨーク３の内側で非常に効率的に行われる。その際、周方向のジオメトリの結果として最大支持面積が得られ、それによって最小の面圧が生じる。従って、ヨーク３のヨーク穴４の外側が力を軸方向に直接伝達しないので、この領域はラジアル軸受５のために外側の方へ広く使用可能である。カルダン軸の直径の広い外側領域までラジアル軸受５が長く延在していることにより、ジャーナル２からヨーク３へおよびその逆に力とトルクを伝達するためのてこの腕の長さが最大となる。それによって、より大きな力またはトルクを伝達することができるかまたは同じ大きさのトルクまたは力を伝達する際に、自在継手構造体のより永い寿命が、スラスト軸受１０の本発明に係る形成によって達成可能である。

その際、ラジアル軸受５を外側へ移動させることあるいはその代わりに、図示のようにラジアル軸受５をジャーナル２の半径方向に延長して、軸受面を拡大することができる。

図１に示した実施の形態において、軸受５，１０はきわめて原理的にかつ概略的に示してある。軸受５，１０は図示のようにころがり軸受として形成可能であるが、両軸受５，１０は原理的にはすべり軸受としても形成可能である。図１の軸受５，１０はヨーク穴４またはジャーナル２のそれぞれの表面または接触面１１上に直接配置され、従って軸受シェルは図示していない。しかしながら原理的には、軸受内側リングおよび／または軸受外側リングを設けることができる。

図２には自在継手構造体の一部の異なる構造が示されている。この場合、図１の図示と異なり、ラジアル軸受５は上側の軸受シェル１５と外側の軸受シェル１６を備えている。この外側の軸受シェル１６はラジアル軸受５の転動体６とヨーク穴４の間に配置されている。外側の軸受シェル１６は多数の領域を有する。機能上重要な領域は本来の軸受領域１７であり、この軸受領域で転動体６が回転する。この軸受領域１７はカルダン軸の回転軸線７とは反対側の軸受穴４の端部のところで、カバー要素１８に一体的に接続している。外側の軸受シェル１６はさらに、スラスト軸受領域１９を有する。このスラスト軸受領域は固有のスラスト軸受１０とヨークの領域内の接触つば１３の間に配置されている。外側の軸受シェル１６のこのスラスト軸受領域１９はスラスト軸受１０のための軸受シェルを形成している。

図示した実施の形態では、スラスト軸受１０は滑り軸受として形成されている。これは例示的な滑り軸受リング２０によって示されている。高負荷のラジアル軸受５が力とトルクの主要な伝達を行い、スラスト軸受１０はこれに比較して重要ではないという事実に基づいて、滑り軸受はスラスト軸受１０にとって十分であり、自在継手構造体の場合広く普及している。例えば適切な材料（軸受青銅、合成樹脂等）の滑り軸受リング２０からなるこのような滑り軸受によって、低い軸受高さを有する簡単で効率的な構造が達成可能である。

図２の実施の形態の場合にも、接触面１１と接触つば１３の間隔は比較的に小さい。ここでも、スラスト軸受はカルダン軸の回転軸線７寄りの軸受穴４の領域内に配置されている。従って、この領域とは反対の軸受穴４の広い外側領域が、上述の利点を達成するために、ラジアル軸受５のために供される。

図２に図示した外側軸受シェルの構造の場合には、カルダン軸の回転軸線７寄りの側からジャーナル２を軸受穴４に組み込む必要がある。これを達成できるようにするために、ヨーク３を適切に分割して形成しなければならない。その際、基本的には、従来技術においても既に知られている多数の代替方法が考えられる。例えばコンロッドの場合普通であるように、ヨーク穴４自体を分割してもよい。その代わりに、ヨークの回転駆動フランジにねじ止め可能な軸受台に、軸受穴４を形成してもよい。この軸受台はその後、ヨーク回転駆動部のフランジにボルト止めするために、ジャーナル２に嵌合される。考えられる第３実施形では、ヨークまたはヨークのフランジ自体が分割される。フランジを分割することにより、両端、ひいては両ヨーク穴を、それと協働する両ジャーナル２の軸方向に移動させることができるので、ヨーク３をジャーナル２に嵌合して固定することができる。

図２の実施の形態の組立の際、カバー要素１８と共に一種のブッシュを形成する外側軸受リング１６は、ヨーク穴４に挿入または圧入される。それによって、外側軸受リング１６のスラスト軸受領域１９は接触つば１３に接触することになる。そして、軸受要素、特に転動体６と滑りリング２０並びにジャーナル２の組立を行うことができる。

前もって内側軸受シェル１５をジャーナル２に嵌合しなければならない。転動体６の内側の軸承をこの内側軸受シェル１５上で行うことができる。この内側軸受シェル１５の領域において凸形の転動体がジャーナル２の凸形表面または軸受シェル１５の凸形の表面上を転動するので、この領域においてラジアル軸受５の単位面積あたりの押圧力、ひいては応力が非常に大きい。それによって特に内側軸受シェル１５の領域において、摩耗が増大することになる。図２の構造は、この内側軸受シェル１５の交換を比較的に簡単に可能にする。それによって、ここでラジアル軸受５が摩耗しているときには、簡単にかつ比較的に低コストで再生することができる。

図１に示すように、このような内側軸受シェルが設けられていないと（図２の構造の場合にも基本的には内側軸受シェルを設けなくてもよい）、ジャーナル２自体が摩耗し、必要時には全体を交換しなければならなくなる。カルダン軸の大きさ次第で、内側軸受シェル１５の交換は低コストの代替方法になる。

図３には、本発明に係る自在継手構造体の一部の第３実施の形態が示してある。この場合、ヨーク３のヨーク穴４がめくら穴として形成されているので、カバー要素２１はヨーク３の一部として形成されている。ブッシュ状の外側軸受シェルを備えた図２の実施の形態に類似して、本実施の形態でも組立のために、ヨーク３を分割できる構造とする必要がある。そのほかの構造は上記の説明と実質的に同じである。この場合にも、ラジアル軸受５の外側軸受シェル１６が設けられている。図３の実施の形態では内側軸受シェル１５が省略されている。外側軸受シェル１６は本来の軸受領域１７とスラスト軸受領域１９を有する。カバー要素２１がヨーク３と一体に形成されていることにより、外側軸受シェル１６はほぼリング状に形成されている。従って、カバー要素１８は外側軸受シェル１６に設けられていない。

前の図に対する第２の特徴は、スラスト軸受１０の滑り軸受リング２０の領域にある。この滑り軸受リング２０は、支持領域２２と、非支持領域２３を有する。滑り軸受リング２０に関するこの実施の形態の変形は基本的には従来技術から既に知られている。これについては、冒頭に述べた本出願人の独国特許出願である特許文献３と特許文献４が参照される。

自在継手構造体の機械的な負荷により、ジャーナル２がヨーク穴４と相対的に動くことになる。この相対運動は、上記の特許文献３と特許文献４に詳しく説明しているように、一方の領域と他方の領域で行われ、一方の領域では部品相互の比較的に大きな相対運動が発生し、他方の領域では部品相互の小さな相対運動が発生する。図３の滑り軸受２０は、支持領域２２と非支持領域２３を有するように形成されている。支持領域２２は対称にかつ局部的に制限されて滑り軸受リング２０上に配置されている。同じようなことが非支持領域２３にも当てはまる。この構造により、軸方向の支持が主として支持領域２２で行われる。変形するジャーナルは、非支持領域２３において滑り軸受リング２０に載って支持される前に、非支持領域２３においてヨーク３またはヨーク穴４に対する比較的に大きな相対運動を行う。

全体の直径にわたって同様な厚さを有する従来の滑り軸受リング２０は、大きな相対運動が発生する領域において、非常に早く摩耗する。図示した滑り軸受リング２０は非支持領域２３において全く負荷されないかまたは負荷が最小であり一方、支持領域では比較的に均一の負荷が存在する。それによって、滑り軸受リング２０は全体として早く摩耗しない。これは自在継手構造体の寿命またはメンテナンス間隔の長さにとってきわめて有利になる。

非支持領域２３の範囲内の材料を除去する代わりに、弾性材料をこの非支持領域２３に挿入することができる。さらに、支持領域と非支持領域の分割を、滑り軸受リング２０の幾何学的な形成によって行わずに、軸受に関与する他の面を適切に形成することによって行うことができる。例えば、接触面１１を、支持領域の範囲内に平らに形成し、非支持領域の範囲内に凹部を有するように形成することができる。勿論、同じようなことが外側軸受シェル１６のスラスト軸受領域１９または接触つば１３の面にも当てはまる。その際それぞれ、適当な凹部によってあるいは弾性材料または弾性的なばね手段等で形成された領域によって、スラスト軸受１０を支持領域２２と非支持領域２３に分割することができる。滑り軸受リング２０は、ヨーク穴４がジャーナル２と相対的に大きく動く領域において、この窪みまたは凹部内に「逃げ」、それによって大きな負荷と大きな摩耗を「受けなくなる」。

上述の個々の手段は上記部品の１つに設けることができるしまた、凹部および／または弾性材料の組み合わせを、スラスト軸受１０に含まれる上記部品の複数に設けることができる。

３つの図に基づいて詳しく示した本発明の変形は、スラスト軸受１０の接触と、ヨーク３への力の作用との間の短い距離であるという特徴が共通している。これは軸受シェルを備えるかまたは備えないで、スラスト軸受１０用の転動体１４によってあるいはスラスト軸受１０用の滑り軸受２０によって、いろいろな方法で達成される。これらの変形は専門家によって問題なく互いに組み合わせ可能である。同じことが軸受穴またはカバー要素１８，２１の形成にも当てはまる。例えば内側軸受リング１５を３つのすべての変形で用いることができ、さらに図２に従ってブッシュ状に形成した外側軸受シェル１６を、内側軸受シェルなしに実現することができ、そしてこの外側軸受シェルを図３の滑り軸受リング２０または図１のころがり軸受要素と組み合わせることができる。外側軸受シェル１６の構造および形状は勿論、スラスト軸受領域１９なしに実現可能であり、従って図１の構造と統合可能である。さらに、すべての変形にとって、ヨーク穴４としてのめくら穴あるいは固有のカバー８の使用は、外側軸受シェル１６とカバーの一体形成と同様に可能である。

ヨーク穴４内におけるジャーナル２の軸承部は、形状に応じて、１個または複数のシール手段を備えることができる。このようなシール手段は自在継手構造体にとって従来技術によって知られているので、図に示していない。めくら穴としてのヨーク穴４の形成、カバー８の具備または外側軸受シェル１６と一体に形成されたカバー要素１８の具備に応じて、適切なシールをヨーク穴４の領域および／または特にジャーナル肩部１２の領域に設けることができる。このようなシール手段は軸受技術の専門家にとって自明でありかつ周知であるので、詳しく説明しないし、図１〜３における図示も省略する。

Claims (16)

1. ジャーナル十字体（１）と、
   このジャーナル十字体（１）の各々１本のジャーナル（２）を収容するためのヨーク穴（４）を有する２個の継手ヨーク（３）と、
   前記ヨーク穴内における前記ジャーナルの各々１の軸受装置とを具備し、
   この軸受装置が前記ジャーナル（２）のための少なくとも１個のスラスト軸受（１０）と少なくとも１個のラジアル軸受（５）とを備え、
   前記スラスト軸受（１０）がジャーナル肩部（１２）の領域内に配置されている、
   カルダン軸、特に高荷重カルダン軸用の自在継手構造体において、
   前記ヨーク穴（４）が前記カルダン軸の回転軸線（７）寄りのその側に、接触つば（１３）を備え、
   前記ジャーナル肩部（１２）が接触面（１１）を有し、
   前記スラスト軸受（１０）が前記接触面（１１）と前記接触つば（１３）の間に配置されていることを特徴とする自在継手構造体。
2. 前記ラジアル軸受（５）が転動体（６）と、この転動体（６）とヨーク穴（４）の間に配置された外側軸受シェル（１６）とから形成されていることを特徴とする請求項１に記載の自在継手構造体。
3. 前記ラジアル軸受（５）が転動体（６）と前記ジャーナル（２）の間に内側軸受シェル（１５）を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の自在継手構造体。
4. 前記スラスト軸受（５）を支持する前記接触つばの面が、前記各ジャーナル（２）の軸線に対して垂直に形成されていることを特徴とする請求項１，２または３に記載の自在継手構造体。
5. 前記接触面（１１）が前記ジャーナル肩部（１２）の範囲内に前記各ジャーナル（２）の軸線に対して垂直に形成されていることを特徴とする請求項１，２または３に記載の自在継手構造体。
6. 前記スラスト軸受（１０）が滑り軸受リング（２０）として形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の自在継手構造体。
7. 前記スラスト軸受（１０）が前記接触つば（１３）と前記接触面（１１）の間に配置された転動体（１４）によって形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の自在継手構造体。
8. 前記スラスト軸受（１０）が少なくとも１個の軸受シェル（１９）を備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の自在継手構造体。
9. 前記スラスト軸受（１０）の少なくとも１個の軸受シェル（１９）が前記ラジアル軸受の前記外側軸受シェル（１６）の一部として形成され、この軸受シェル（１６）が前記接触つば（１３）に支持されていることを特徴とする請求項８に記載の自在継手構造体。
10. 前記カルダン軸の前記回転軸線（７）とは反対の前記ヨーク穴（４）の側が、カバー（８，１８，２１）によって閉鎖されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の自在継手構造体。
11. 前記カバー（１８）と前記ラジアル軸受（５）の外側軸受シェル（１６）が一体に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の自在継手構造体。
12. 前記ヨーク穴（４）が前記カルダン軸の前記回転軸線（７）寄りの側からめくら穴として形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の自在継手構造体。
13. 前記スラスト軸受（１０）が、前記滑り軸受リング（２０）および／または少なくとも１個の前記軸受シェル（１９）および／または前記接触面（１１）および／または前記接触つば（１３）の領域に、対称に対向配置されかつ局部的に制限された支持領域（２２）を備えていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の自在継手構造体。
14. 前記支持領域（２２）が前記スラスト軸受（１０）の組み込み位置において前記ジャーナル（２）と前記ヨーク穴（４）との小さな相対運動領域内に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の自在継手構造体。
15. 前記スラスト軸受（１０）が前記支持領域（２２）を有していない領域（２３）内において、前記滑り軸受リング（２０）および／または少なくとも１個の軸受シェル（１９）および／または前記接触面（１１）および／または前記接触つば（１３）の範囲に、凹部および／または弾性手段を備えていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の自在継手構造体。
16. 前記軸受（１０，５）、少なくとも前記ラジアル軸受（５）を封止するためのシール手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の自在継手構造体。

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