JP2014092261A

JP2014092261A - ジョイント

Info

Publication number: JP2014092261A
Application number: JP2012245079A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Asa; 幸啓麻
Original assignee: Asa Electronics Industry Co Ltd
Current assignee: Asa Electronics Industry Co Ltd
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2014-05-19

Abstract

【課題】トルクリミッタ自体を装備することなく、ジョイント等の破損を回避することができるジョイントを提供する。
【解決手段】複数の球体２９ａ等と、各球体２９ａ等を受ける窪部２２ａ等が側面に形成されている内ハブ２０と、内ハブ２０を収容する収容部１７と各窪部２２ａ等で受けられた球体２９ａ等が収容される複数の長手溝１２ａ等とを有する外ハブ１０と、外ハブ１０と内ハブ２０との間の最大トルクに到達したことを条件に各球体２９ａ等が収容されている各長手溝２９ａ等からこれらに隣接する各長手溝２９ｂ等に移動させるための弾性部２８ａ等とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車、航空機、船舶、産業機械、プリンタ、ファクシミリなどの紙送部、玩具などにおけるギアボックス、風力発電用風車の回転軸などの動力伝達部に用いられるジョイントに関する。

従来、「内周面の円周方向等分位置に軸方向に延びるトラック溝を備えた外輪部材と、外周面の円周方向等分位置に軸方向に延びるトラック溝を備えた内輪部材と、内・外輪部材のトラック溝間に介在するトルク伝達部とを有し、トルク伝達部を、ギア部を備えたジャーナル部材と、ジャーナル部材に回転自在に担持されたローラーとで構成し、ローラーを外輪部材のトラック溝に収容させ、内輪部材のトラック溝の底面にギア部を設けるとともにジャーナル部材のギア部を内輪のギア部と噛み合わせることによりジャーナル部材が内輪に対して傾くことを可能にした摺動式等速ジョイント」がある（特許文献１）。

特開２０００−２７８８１号公報

しかし、特許文献１に記載されているジョイントは、過大トルクがかかった場合に、ジョイント自体が破損したり、これに連結されているシャフトが破損したりといったことが起こりうる。過大トルクは、例えば、船舶のスクリューに用いられているジョイントの場合であれば、水流の緩急の変化の際に生じるし、風力発電用風車の回転軸に用いられているジョイントの場合であれば、突風が吹いた場合に生じる。

ジョイント等の破損を回避するには、トルクリミッタを装備することも考えられるが、通常、トルクリミッタは大型のものが多いので、設置スペース上の制約を受ける。また、トルクリミッタは高価なものも多いので、ジョイントシステム全体としてみても高価となってしまう。

そこで、本発明は、トルクリミッタ自体を装備することなく、ジョイント等の破損を回避することができるジョイントを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のジョイントは、
複数の球体（例えば、図１，図５の符号２９ａ、２９ｅ）と、
前記各球体を受ける窪部（例えば、図１，図５の符号２２ａ、２２ｅ）が側面に形成されている内ハブ（例えば、図１の符号２０）と、
前記内ハブを収容する収容部（例えば、図２，図６の符号１７）と前記各窪部で受けられた球体が収容される複数の長手溝（例えば、図２，図６の符号１２ａ等）とを有する外ハブ（例えば、図２，図６の符号１０）と、
前記外ハブと前記内ハブとの間の最大トルクに到達したことを条件に前記各球体が収容されている各長手溝からこれらに隣接する各長手溝に移動させるための弾性部（例えば、図１，図５の符号２８ａ、２８ｅ）とを備える。

本発明によれば、いわば、トルクリミッタ機能付きのジョイント、とりわけ、トルクリミッタ機能付きユニバーサルジョイントを提供することができる。

前記弾性部は、前記各窪部と前記各球体との間に位置する、複数の皿ばね、コイルスプリング、又はゴムによって実現することができるし、前記各窪部間又は前記長手溝間に切り欠きを設けることで実現することもできる。

また、本発明のジョイントは、前記内ハブと前記外ハブとの連結部を覆う、蛇腹部を備えるとよい。

前記内ハブは、前記各窪部が形成される頭部と、前記頭部に隣接していて軸心の偏角を許容する首部とを有する、請求項１記載のジョイント。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図において、同様の部分には、同一符号を付している。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るジョイントを構成部品である内ハブ２０の側面断面図及び平面図である。図２は、本発明の実施形態１に係るジョイントを構成部品である外ハブ１０の側面断面図及び平面図である。

図３は、図１に示す内ハブ２０と図２に示す外ハブ１０とを連結した状態を示す側面図である。図２に示す外ハブ１０と図１に示す内ハブ２０とは、外ハブ１０に形成されている収容部１７に、内ハブ２０の頭部２１を収容することで連結可能である。

内ハブ２０は、プラスチック製、金属製などとすることができる。図１〜図３には、金属製の好適な内ハブ２０及び外ハブ１０の例を示している。なお、このような金属製の場合の具体例としては、鉄製、アルミニウム製などが挙げられる（プラスチック製の好適な例については、図５等を用いて後述する）。さらに、鉄製の場合には、窒化処理或いは焼入れをしたものを用いることができる。また、アルミニウム製の場合には、ジュラルミン系のアルミニウム合金（例えば、２０１７系又は５０５６系）を用いることができる。

図１に示すように、内ハブ２０は、概形が円柱状の頭部２１と、同じく概形が円柱状ではあるが頭部２１より径の大きな胴部２４と、頭部２１と胴部２４との間に位置する首部２３とに大別される。

内ハブ２０の頭部２１には、その側面に球体２９ａ等を受ける半球状の球体受け２２ａ等が形成されている。図１に示す球体受け２２ａ等は、ドリルによって穴開けした場合を例示しており、途中までは円筒状となっているが、先端は円錐状となっている。しかし、球体受け２２ａ等は、エンドミルを用いて形成してもよく、この場合には、球体受け２２ａ等の形状は円筒状となる。さらに言えば、球体受け２２ａ等の形状は、これらに限定的ではなく、半球状、円錐状Ｖ字状などとしてもよい。

球体受け２２ａ等内には、グリースなどが塗布され、その後、複数の皿ばねで構成される弾性部２８ａ等が配置される。弾性部２８ａ等の上には球体２９ａ等が配置される。弾性部２８ａ等は、後述するように、ジョイントに対して過大トルクがかかった場合に、ジョイント等の破損を回避するためのものである。

なお、本実施形態では、弾性部２８ａ等は、これに限定されるものではないが、太陽ステンレス社製で、厚みが０．５ｍｍのステンレス素材を円錐状にし、高低差が０．８ｍｍ、外形が１．２５φとしたステンレス製の皿ばねを、凹面相互或いは凸面相互に対向させる態様で（直列使用法）、例えば凸面が同じ向きになる態様で（並列使用法）、または、これらを適宜組み合わせた態様で、１０枚〜１５枚程度重ね合わせることで、弾性部２８ａ等を構成している。なお、弾性部２８ａ等は、皿ばねで構成することが必須ではなく、コイルスプリング、ゴムなどを用いて実現してもよい。

球体２９ａ等は、ステンレス、アルミナ系などのセラミック、金属等、プラスチックなどから成る。ここでは、球体２９ａ等の数は「６」の例を示しているが、「６」に限定されるものではなく、「４」でも「５」でも「８」でも「９」でも「１０」でもよい。球体２９ａ等の数は、ジョイント本体の大きさ、材料（硬度）に応じて決定することができる。球体２９ａの数が「３」以上の場合には、いわゆるユニバーサルジョイントとなる。ただ、一般的には、当業者であれば、通常、球体の数は偶数として対称性を持たせるであろう。

さらに、球体の数を決定するに際しては、外ハブ１０及び内ハブ２０の硬性と球体２９ａ等の硬性とのずれが大きい場合には、ジョイント使用時に硬性が低い方が変形しないような数とするとよい。一般的には、ジョイントが大きくするならば、球体の数を増やすようにするとよい。

なお、図１（ｂ）には、球体受け２２ａ，２２ｅについて、弾性部２８ａ，２８ｅと球体２９ａ，２９ｅを取り付けた例を示しているが、実際には、他の球体受け２２ｂ〜２２ｄ，２２ｆ〜２２ｈについても、図示しない弾性部及び球体２９ａ，２９ｅが取り付けられる点に留意されたい。

また、内ハブ２０の胴部２４には、図示しないシャフトを受けるための開口部２５が底面に形成されている。胴部２４には、開口部２５で受けたシャフトを、留める図示しない螺子を受ける螺子穴２６ａ，２６ｂが側面に形成されている。

内ハブ２０の首部２３は、頭部２１と胴部２４との間に位置しており、内ハブ２０及び外ハブ１０にそれぞれ連結されるシャフトの偏角を許容する部分として機能する。すなわち、首部２３を設けることで、シャフト間に角度をつけても、首部２３による括れによって、外ハブ１０の端部に内ハブ２０が当たることを防止できる。

なお、内ハブ２０は、典型的には、ダイカスト成型によって作成してもよいし、その後、球体受け２２ａ等は掘削などによって作成するとよい。

図２に示すように、外ハブ１０は、内ハブ２０の頭部２１を収容する収容部１７と、収容部１７に対して一体的に一定間隔で形成されていて各球体受け２２ａ等で受けられた球体２９ａ等が収容される複数の長手溝１２ａ等とを有する第１部分１１を含む。

長手溝１２ａ等には、球体２９ａ等との摩擦を緩和するために、グリースなどが塗布される。球体２９ａ等を受ける部分を長手溝１２ａ等とすることで、外ハブ１０と内ハブ２０との間のエンドプレイが実現できる。

また、外ハブ１０は、図示しないシャフトを受けるための開口部１５が底面に形成されていて、開口部１５で受けたシャフトをその側面から留める図示しない螺子を受ける螺子穴１６ａ，１６ｂが側面に形成されている第２部分１３を含む。

外ハブ１０も、内ハブ２０と同様に、プラスチック製、金属製などとすることができる。なお、図２のものは、金属製の場合の例示である。また、外ハブ１０についても、ダイカスト成形することができ、例えば、長手溝１２ａ等は掘削などによって作成してもよることができる。

外ハブ１０と内ハブ２０との連結部分には、球体受け２２ａ等内及び長手溝１２ａ等に塗布されたグリースなどが、ジョイントの周囲に飛散することを防止するために、蛇腹などで覆うとよい。

なお、外ハブ１０及び内ハブ２０に連結されるシャフトは、ステンレス、セラミックなどから成り、一般的には、その寸法は開口部１５，２５よりもやや小さい径のものが用いられる。

本実施形態のジョイントも、通常時には、既知のジョイントと同様に、例えば、外ハブ１０に連結されているシャフトが回転されるときには、それが内ハブ２０に伝達され、内ハブ２０に連結されているシャフトが回転する。

しかし、仮に、外ハブ１０に連結されているシャフトが外力等によって高回転し、これによって、ジョイントに対して過大トルクがかかった場合には、既知のものであれば、ジョイント自体が破損したり、シャフトが破損したりといったことが起こりうる。

本実施形態のジョイントは、このような事態を回避するためのものであり、そのために、弾性部２８ａ等を設けている。弾性部２８ａ等を設けると、ジョイントに対して過大トルクがかかった場合にも、弾性部２８ａ等の存在により、球体２９ａ等が長手溝１２ａ等に対して変位し、弾性部２８ａ等が球体２９ａ等によって押し縮められる。

この結果、典型的には、球体２９ａは、後述する最大トルクに到達したときに、長手溝１２ａから外れ、これに隣接する長手溝１２ｂに向けて移動し、やがて長手溝１２ｂに収容されることになる。このため、本実施形態のジョイントは、ジョイント自体が破損したり、シャフトが破損したりといったことが回避できる。

なお、これに限定されるものではないが、参考まで、本実施形態のジョイントの各パーツの寸法などの条件を例示すると、以下のようになる。

外ハブ１０：長さ５０．０ｍｍ〜６０．０ｍｍ（例えば５７．０ｍｍ）、直径８０．０ｍｍ〜９０．０ｍｍ（例えば８４．０ｍｍ）、収容部１７の深さ３０．０ｍｍ〜４０．０ｍｍ（例えば３４．０ｍｍ）、収容部１７の直径７０．０ｍｍ〜７５．０ｍｍ（例えば７３．９ｍｍ）、長手溝１２ａ等の深さ２．０ｍｍ〜２．５ｍｍ（例えば２．１ｍｍ）、長手溝１２ａ等の幅２５．０ｍｍ〜３５．０ｍｍ（例えば３０．０ｍｍ）、長手溝１２ａ等のアール６．３５±０．０３ｍｍ、開口部１５の直径４０．０ｍｍ〜５０．０ｍｍ（例えば４５．０ｍｍ）

内ハブ２０：長さ９０．０ｍｍ〜１１０．０ｍｍ（例えば１００．０ｍｍ）、胴部２４の直径８０．０ｍｍ〜９０．０ｍｍ（例えば８４．０ｍｍ）、胴部２４の長さ２５．０ｍｍ〜３５．０ｍｍ（例えば３０．０ｍｍ）、首部２３の直径６０．０ｍｍ〜６５．０ｍｍ（例えば６２．０ｍｍ）、首部２３の長さ１５．０ｍｍ〜２５．０ｍｍ（例えば２０．０ｍｍ）、頭部２１の直径６５．０ｍｍ〜７０．０ｍｍ（例えば６７．０ｍｍ）、頭部２１の長さ１５．０ｍｍ〜２０．０ｍｍ（例えば１９．０ｍｍ）、開口部１５の直径４０．０ｍｍ〜５０．０ｍｍ（例えば４５．０ｍｍ）

球体受け２２ａ等：球体受け２２ａ等の円筒部の直径１２．０ｍｍ〜１３．０ｍｍ（例えば１２．８ｍｍ）、頭部２１の端面から球体受け２２ａ等の軸心までの距離８．０ｍｍ〜１２．０ｍｍ（例えば１０．０ｍｍ）

弾性部２８ａ等：ＳＵＳ３０４製の皿ばねを１３枚〜１５枚（例えば、球体受け２２ａ等の底面に凹面を対向させて並列使用法で２枚を並べ、それらの上に凹面相互を対向させる直列使用法で６組１２枚並べる）

球体２９ａ等：ステンレス製、直径１２．０〜１３．０（例えば、１２．７ｍｍ）

上記の各寸法等、カッコ書きに例示している条件としたジョイントの最大トルクを計測したところ約６５Ｎ・ｍで、このときに、内ハブ２０と外ハブ１０との間の回転角は、約２ｄｅｇだった。この計測結果を図４に示す。

図４は、図３に示すジョイントのトルク特性を示す図である。図４の横軸には回転角（ｄｅｇ）を示し、縦軸にはトルク（Ｎ・ｍ）を示している。図４に示すように、内ハブ２０と外ハブ１０との間の回転角が１ｄｅｇのときに約６０Ｎ・ｍで、内ハブ２０と外ハブ１０との間の回転角が２ｄｅｇのときに約６５Ｎ・ｍという最大トルクが計測された。

それから、内ハブ２０と外ハブ１０との間の回転角が３ｄｅｇのときに回転トルクが約５５Ｎ・ｍに低下し、内ハブ２０と外ハブ１０との間の回転角が４ｄｅｇのときに回転トルクが約３７Ｎ・ｍとなり、内ハブ２０と外ハブ１０との間の回転角が５ｄｅｇのときに回転トルクが約２０Ｎ・ｍとなった。以後、回転角が進むにつれて傾らかに回転トルクは低下していき、回転角が３６０ｄｅｇのときに回転トルクが０となった。

また、皿ばねの枚数などの条件を変更させて最大トルクを計測してみた。球体受け２２ａ等の底面に凹面を対向させて単一使用法で１枚並べ、その上に凹面相互を対向させる直列使用法で６組１２枚並べた場合には、最大トルクは約４２Ｎ・ｍだった。また、球体受け２２ａ等の底面に凹面を対向させて単一使用法で１枚並べ、その上に凹面相互を対向させる直列使用法で７組１４枚並べた場合には、最大トルクは約９０Ｎ・ｍだった。さらに、球体受け２２ａ等の底面に凹面を対向させて並列使用法で３枚を並べ、それらの上に凹面相互を対向させる直列使用法で６組１２枚並べた場合には、最大トルクは約８７Ｎ・ｍだった。

このことから、ジョイントの接続対象、シャフトなどの強度に応じて決定される最大トルクに基づいて、皿ばねの枚数などの条件を選択すればよいことがわかる。

本実施形態のジョイントは、これに限定されるものではないが、自動車、航空機、船舶、産業機械などにおけるギアボックス等、風力発電用風車の回転軸などの動力伝達部に好適に用いることができる。

（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態２に係るジョイントを構成部品である内ハブ２０の側面断面図及び平面図であり、図１に対応する。図６は、本発明の実施形態２に係るジョイントを構成部品である外ハブ１０の側面断面図及び平面図であり、図２に対応する。

図７は、図５に示す内ハブ２０と図６に示す外ハブ１０とを連結した状態を示す側面図である。図７に示すジョイントは、内ハブ２０及び外ハブ１０を、プラスチック製とした場合の好適な例を示している。図７は、図５及び図６に示す構成部品を連結した状態を示す側面図である。

ここで、図７に示すジョイントは、図３に示したジョイントと対比すると、プラスチックの弾性力を利用して、弾性部２８ａ等を変更している点が相違する。すなわち、本実施形態のジョイントは、球体受け２２ａ〜２２ｈ間に切り欠きを設けることで、複数の皿ばねで構成される弾性部２８ａ等に代えて、球体受け２２ａ等の各々が形成されている部分を、弾性部２８ａ等として機能させている。

ここでいうプラスチックは、引張強さ、弾性のほか、耐摩耗性に優れたものが好ましく、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂（四フッ化エチレン）などの熱可塑性プラスチック、ポリアミノビスマレイミドなどの熱硬化性プラスチックが挙げられる。

本実施形態のジョイントも、過大トルクがかかったときに、弾性部２８ａ等がその弾性力によって、球体２９ａ等とともに内ハブ２０の軸心に向けて変位する。この結果、球体２９ａは、長手溝１２ａから外れ、これに隣接する長手溝１２ｂに向かい、長手溝１２ｂに納まることになる。このため、本実施形態のジョイントも、ジョイント自体が破損したり、シャフトが破損したりといったことが回避できる。

なお、本実施形態では、内ハブ２０の球体受け２２ａ〜２２ｈ間に切り欠きを設けることで、弾性部２８ａ等を実現しているが、外ハブ１０の長手溝１２ａ〜１２ｈ間に切り欠きを設けることで、弾性部２８ａ等を実現してもよい。弾性部２８ａ等の幅、長さは、必要とされる最大トルクに基づいて適宜選択すればよい。

また、これに限定されるものではないが、参考まで、本実施形態のジョイントの各パーツの寸法などの条件を例示すると、以下のようになる。

外ハブ１０：ポリアセタール、長さ１４．０ｍｍ〜２０．０ｍｍ（例えば１６．５ｍｍ）、直径２５．０ｍｍ〜３０．０ｍｍ（例えば２８．０ｍｍ）、収容部１７の深さ５．０ｍｍ〜１０．０ｍｍ（例えば７．５ｍｍ）、収容部１７の直径２０．０ｍｍ〜３０．０ｍｍ（例えば２４．７ｍｍ）、長手溝１２ａ等の深さ０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ（例えば０．８ｍｍ）、長手溝１２ａ等の幅５．５ｍｍ〜８．０ｍｍ（例えば５．８ｍｍ）、長手溝１２ａ等のアール１．５±０．０５ｍｍ、開口部１５の直径１０．０ｍｍ〜１５．０ｍｍ（例えば１２．０ｍｍ）

内ハブ２０：ポリアセタール、長さ１５．０ｍｍ〜２５．０ｍｍ（例えば２０．０ｍｍ）、胴部２４の直径２５．０ｍｍ〜３０．０ｍｍ（例えば２８．０ｍｍ）、胴部２４の長さ５．０ｍｍ〜１０．０ｍｍ（例えば８．０ｍｍ）、首部２３の直径２０．０ｍｍ〜３０．０ｍｍ（例えば２３．０ｍｍ）、首部２３の長さ８．０ｍｍ〜１５．０ｍｍ（例えば１１．０ｍｍ）、首部２３の肉厚５．０ｍｍ〜１０．０ｍｍ（例えば７．０ｍｍ）、開口部１５の直径１０．０ｍｍ〜１５．０ｍｍ（例えば１２．０ｍｍ）

球体受け２２ａ等：球体受け２２ａ等の円筒部の直径３．０ｍｍ〜４．０ｍｍ（例えば３．２４ｍｍ）、頭部２１の端面から球体受け２２ａ等の軸心までの距離２．０ｍｍ〜５．０ｍｍ（例えば３．５ｍｍ）

弾性部２８ａ等：長さが１０．０ｍｍ〜１５．０ｍｍ（例えば１０．５ｍｍ）、幅が０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ（例えば１．０ｍｍ）の切り欠き部を形成

球体２９ａ等：ステンレス製、直径３．０〜４．０（例えば、３．１７５ｍｍ）

本実施形態のジョイントは、これに限定されるものではないが、プリンタ、ファクシミリなどの紙送部、玩具などにおけるギアボックス等の各種動力伝達部に好適に用いることができる。

以上、実施形態１，２のジョイントは、エンドプレイ、偏角といったミスアライメントに対応するものであるが、このままでは偏心には対応できない。しかし、これらをシャフトを介して連結した一組で用いれば、そのシャフトの長さに応じた偏心にも対応することができる。したがって、これに付随して、一組のジョイントセットの両端に連結されるシャフト軸も偏心させることができる。

なお、図３に示す構成のジョイントをプラスチック製とすることもでき、また、図７に示す構成のジョイントを金属製とすることもできる。

本発明の実施形態１に係るジョイントを構成部品である内ハブ２０の側面断面図及び平面図である。本発明の実施形態１に係るジョイントを構成部品である外ハブ１０の側面断面図及び平面図である。図１に示す内ハブ２０と図２に示す外ハブ１０とを連結した状態を示す側面図である。図３に示すジョイントのトルク特性を示す図である。本発明の実施形態２に係るジョイントを構成部品である内ハブ２０の側面断面図及び平面図である。本発明の実施形態２に係るジョイントを構成部品である外ハブ１０の側面断面図及び平面図である。図５に示す内ハブ２０と図６に示す外ハブ１０とを連結した状態を示す側面図である。

１０外ハブ
２０内ハブ
２９球体

Claims

複数の球体と、
前記各球体を受ける窪部が側面に形成されている内ハブと、
前記内ハブを収容する収容部と前記各窪部で受けられた球体が収容される複数の長手溝とを有する外ハブと、
前記外ハブと前記内ハブとの間の最大トルクに到達したことを条件に前記各球体が収容されている各長手溝からこれらに隣接する各長手溝に移動させるための弾性部とを備える、ジョイント。
前記弾性部は、前記各窪部と前記各球体との間に位置する、複数の皿ばね、コイルスプリング、又はゴムによって実現される、請求項１記載のジョイント。
前記弾性部は、前記各窪部間又は前記長手溝間に切り欠きを設けることで実現される、請求項１記載のジョイント。
前記内ハブと前記外ハブとの連結部を覆う、蛇腹部を備える、請求項１記載のジョイント。
前記内ハブは、前記各窪部が形成される頭部と、前記頭部に隣接していて軸心の偏角を許容する首部とを有する、請求項１記載のジョイント。