JP2015090171A - 固定式等速自在継手 - Google Patents

Abstract

【課題】プロペラシャフトの使用作動角の範囲内において、トルク損失や発熱が少なく高効率で、しかも所望の継手性能を安定的に発揮することのできる６個ボールタイプのトラック溝交差型固定式等速自在継手を提供する。【解決手段】外側継手部材２の球状内周面６に形成された６本のトラック溝７は、継手中心Ｏを曲率中心とした円弧状に形成され、かつ継手の軸線Ｎ−Ｎに対して周方向に傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合うトラック溝７で互いに反対方向に形成されている。内側継手部材３の球状外周面８に形成された６本のトラック溝９は、作動角０?の状態の継手中心平面Ｐを基準として、外側継手部材２の対となるトラック溝７と鏡像対称に形成されている。継手の軸線Ｎ−Ｎに対する外側継手部材２のトラック溝７の傾斜角γを８?以上１６?以下に設定した。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば自動車の動力伝達系において使用され、駆動側と従動側の二軸間で角度変位のみを許容する固定式等速自在継手に関し、その中でも、主にＦＲ車や４ＷＤ車に搭載され、トランスミッションからディファレンシャルに回転動力を伝達するプロペラシャフト用の固定式等速自在継手に関する。

固定式等速自在継手としては、６個ボールタイプのツェッパ型（ＢＪ）やアンダーカットフリー型（ＵＪ）、８個ボールタイプのツェッパ型（ＥＢＪ）やアンダーカットフリー型（ＥＵＪ）、対をなすトラック溝を交差させたトラック溝交差型（例えば特許文献１を参照）などが公知であり、用途や要求特性等に応じて適宜使い分けられている。

図１４（ａ）（ｂ）に基づき、トラック溝交差型固定式等速自在継手（以下、交差型固定式ＣＶＪという）の一例を説明する。図１４（ａ）は、プロペラシャフト用の交差型固定式ＣＶＪの作動角０°の状態における縦断面図［図１４（ｂ）中に示すＡ−Ｏ−Ｂ線断面図］であり、図１４（ｂ）は同交差型固定式ＣＶＪの正面図である。この等速自在継手１００は、外側継手部材１０２、内側継手部材１０３、ボール１０４および保持器１０５を備える。外側継手部材１０２の球状内周面１０６には円弧状のトラック溝１０７が８本形成されており、各トラック溝１０７は、そのボール軌道中心線ｘを含む平面が継手の軸線ｎ−ｎに対して傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合うトラック溝１０７で互いに反対方向となるように形成されている。内側継手部材１０３の球状外周面１０８には円弧状のトラック溝１０９が８本形成されており、各トラック溝１０９は、作動角０°の状態の継手中心Ｏを含む平面Ｐを基準として、外側継手部材１０２の対となるトラック溝１０７と鏡像対称に形成されている。つまり、内側継手部材１０３は、対をなすトラック溝１０７，１０９が交差するように、外側継手部材１０２の内周に組み込まれている。

図１４（ａ）に示すように、外側継手部材１０２のトラック溝１０７および内側継手部材１０３のトラック溝１０９の曲率中心は何れも継手中心Ｏに位置する。ボール１０４は、対をなすトラック溝１０７，１０９の交差部に介在し、外側継手部材１０２の球状内周面１０６と内側継手部材１０３の球状外周面１０８の間に配置された保持器１０５のポケット部１０５ａ内に収容・保持されている。保持器１０５の球状外周面１１１および球状内周面１１２の曲率中心は、何れも継手中心Ｏに位置している。この等速自在継手１００では、対をなすトラック溝１０７，１０９の交差部にボール１０４が介在しているので、継手が作動角をとった場合、ボール１０４は外側継手部材１０２と内側継手部材１０３の両軸線がなす角度を二等分する平面上に常に案内される。これにより、二軸間で回転トルクが等速で伝達される。

また、外側継手部材１０２のトラック溝１０７および内側継手部材１０３のトラック溝１０９は、それぞれが、周方向に隣り合うトラック溝で傾斜方向が互いに反対方向となっている。従って、作動角０°の状態で両継手部材１０２，１０３が相対回転すると、保持器１０５の周方向に隣り合うポケット部１０５ａには、ボール１０４から相反する方向の力が作用する。これにより、保持器１０５は継手中心Ｏの位置で安定する。このため、保持器１０５の球状外周面１１１と外側継手部材１０２の球状内周面１０６との接触力、および保持器１０５の球状内周面１１２と内側継手部材１０３の球状外周面１０８との接触力が抑制される。その結果、トルク損失や発熱を抑制でき、耐久性に優れた等速自在継手１００を実現できる。従って、この等速自在継手１００を使用すれば、トルク損失や発熱が小さく高効率なプロペラシャフトを実現できる。

以上で説明した等速自在継手１００を含め、ボールを介して両継手部材間で回転トルクが伝達される固定式等速自在継手の作動性は、対をなすトラック溝で形成されるボールトラックにくさび角を設定することにより（対をなすトラック溝でボールを拘束することにより）確保される。上述したように、トラック溝交差タイプの等速自在継手１００では、作動角０°の状態において、保持器１０５を軸方向一方側［例えば図１４（ａ）では右側］に押圧する力がボール１０４から作用するように形成されるくさび角をプラス側、保持器１０５を軸方向他方側に押圧する力がボール１０４から作用するように形成されるくさび角をマイナス側とすると、プラス側およびマイナス側のくさび角を形成するボールトラックを周方向で交互に配置することにより、所望の継手性能が確保されるようになっている。なお、上述の等速自在継手１００では、各トラック溝１０７，１０９の曲率中心が継手中心Ｏに位置している関係上、くさび角の大きさや開く向きは、トラック溝１０７，１０９（のボール軌道中心線を含む平面）が継手の軸線ｎ−ｎに対してなす角度（傾斜角）、トラック溝１０７，１０９に対するボール１０４の接触角、および作動角によって決定付けられる。

特開２０１０−０４３６６７号公報

ところで、各ボールトラックのくさび角は、継手が作動角をとるにつれて刻々と変化し、さらに、両継手部材が相対回転する間も刻々と変化する。そして、継手の作動角が大きくなると、両継手部材が一回転する間に、くさび角が、プラス側から０あるいはマイナス側へ移行したり、マイナス側から０あるいはプラス側へ移行したりする場合がある。くさび角がプラス側からマイナス側へ移行する際や、くさび角がマイナス側からプラス側へ移行する際（すなわち、くさび角の開く向きが反転する際）には、くさび角が一時的に０となる。「くさび角が０になる」とは対をなすトラック溝によるボールの位置拘束が解除されることを意味する。そのため、くさび角が一時的にでも０になると継手の作動性に悪影響が生じるおそれがあるが、かかる問題は、保持器のポケット部でボールを保持することにより可及的に回避できると考えられていた。

しかしながら、本発明者らが検証したところ、６個ボールタイプの交差型固定式ＣＶＪが所定値以上の作動角をとった状態で両継手部材が相対回転すると、保持器を回転させるような力が保持器に作用し、保持器の挙動が不安定化する場合があることが判明した。保持器の挙動が不安定化すると、ボールを所定位置に保持することが難しくなって継手の作動性が悪化する他、トルク損失や発熱の抑制効果を有効に享受することができなくなる。

ここで、図１０（ａ）（ｂ）に基づき、６個ボールタイプの交差型固定式ＣＶＪにおいて、保持器に回転力が作用する事例を説明する。図１０（ａ）は、継手の軸線に対する各トラック溝の傾斜角を６°に設定した６個ボールタイプの交差型固定式ＣＶＪが作動角１２°をとった状態で両継手部材が１回転する間に、各ボールトラックＴ₁〜Ｔ₆［図１０（ｂ）参照］のくさび角がどのように変化するのかを検証した結果を示す図である。また、図１０（ｂ）は、ボールトラックＴ₁が位相角９０°にあるときにおける各ボールトラックＴ₁〜Ｔ₆のくさび角の状態（くさび角がプラス、マイナス又は０の何れであるか）を模式的に示す図である。なお、図１０（ｂ）中に示す「＋」、「−」および「０」は、それぞれ、くさび角が、プラス側、マイナス側およびゼロであることを示している。後述する図１１（ｂ）〜（ｄ）および図１５（ｂ）〜（ｄ）においても同様である。

図１０（ａ）（ｂ）に示すように、ボールトラックＴ₁が位相角９０°にあるときには、１８０°対向するボールトラックＴ₄もくさび角が０であること、周方向で隣り合うボールトラックＴ₂，Ｔ₃のくさび角の開く向きが互いに反対方向であると共に両くさび角の絶対値が同一であること、および周方向で隣り合うボールトラックＴ₅，Ｔ₆のくさび角の開く向きが互いに反対方向であると共に両くさび角の絶対値が同一であることから、継手中心Ｏ、ボールトラックＴ₂，Ｔ₃の中間部およびボールトラックＴ₅，Ｔ₆の中間部を通って径方向に延びる直線Ｚ₁を軸とする回転力Ｒが保持器に作用する。詳細な図示および説明は省略するが、ボールトラックＴ₁が位相角２１０°および３３０°にあるときにも上記同様の理由で保持器に回転力が作用する。

６個ボールタイプの交差型固定式ＣＶＪがさらに大きな作動角（ここでは２４°）をとった場合、各ボールトラックＴ₁〜Ｔ₆のくさび角は、両継手部材が１回転する間に図１１（ａ）に示す態様で変化する。この場合、例えばボールトラックＴ₁が位相角０°、３０°および９０°にあるときにおける各ボールトラックＴ₁〜Ｔ₆のくさび角は図１１（ｂ）〜図１１（ｄ）にそれぞれ示す状態となっており、ボールトラックＴ₁が位相角０°にあるときには、図１１（ｂ）中に示す直線Ｚ₂を軸とする回転力Ｒが保持器に作用し、ボールトラックＴ₁が位相角３０°にあるときには、図１１（ｃ）中に示す直線Ｚ₃を軸とする回転力が保持器に作用し、ボールトラックＴ₁が位相角９０°にあるときには、図１１（ｄ）中に示す直線Ｚ₄を軸とする回転力が保持器に作用する。さらに言うと、この交差型固定式ＣＶＪが作動角２４°をとった状態で両継手部材が相対回転すると、保持器に常に回転力Ｒが作用するため、継手として機能しなくなる。

これに対し、図１４に基づいて説明した８個ボールタイプの交差型固定式ＣＶＪが比較的大きな作動角をとった状態で両継手部材が相対回転しても、保持器に回転力が作用するような事態は生じ得ない。その詳細を図１５（ａ）〜（ｄ）に基づいて説明する。図１５（ａ）は、継手の軸線に対する各トラック溝の傾斜角を６°に設定した８個ボールタイプの交差型固定式ＣＶＪが作動角１２°をとった状態で両継手部材が１回転する間に、８つのボールトラックｔ₁〜ｔ₈のくさび角がどのように変化するかを検証した結果を示す図であり、図１５（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ、ボールトラックｔ₁が位相角０°、４５°および９０°にあるときにおける各ボールトラックｔ₁〜ｔ₈のくさび角の状態を模式的に示す図である。以上で説明した理由から明らかなように、図１５（ｂ）〜（ｄ）にそれぞれ示すボールトラックｔ₁が位相角０°、４５°および９０°に位置するときの何れの場合においても、各ボールトラックｔ₁〜ｔ₈に形成されるくさび角の状態からして保持器に回転力は作用しない。図示は省略するが、仮に８個ボールタイプの交差型固定式ＣＶＪが作動角２４°をとった状態で両継手部材が相対回転しても、保持器に回転力が作用することはない。

以上の検証結果などから、交差型固定式ＣＶＪにおける保持器挙動の不安定化問題は、特に、ボール個数を６個とし、かつ１０°を超える作動角をとった状態で両継手部材が相対回転したときに顕在化することが判明した。そのため、使用時の最大作動角が４０°〜５０°程度とされ、かつ２０°程度の作動角をとる頻度の多いドライブシャフト用の固定式等速自在継手として、６個ボールタイプの交差型固定式ＣＶＪを採用するのは難しいと言える。これに対し、プロペラシャフト用の固定式等速自在継手は、作動角１０°以下で使用されるのが殆どであり、車両の挙動を加味しても作動角が１４°を超えることは皆無に等しい。このため、プロペラシャフト用の固定式等速自在継手として、６個ボールタイプの交差型固定式ＣＶＪを採用する余地があると考えた。そして、６個ボールタイプの固定式等速自在継手は、８個ボールタイプの固定式等速自在継手に比べ、（１）部材総数が少ない分だけ低コスト化できる、（２）各部材の加工性や組立性が良好であるため、品質（性能）面での個体差を少なくすることができる、（３）ボールサイズを大きく出来る分だけ負荷容量を大きく出来る、などといった利点がある。従って、６個ボールタイプの交差型固定式ＣＶＪを実現できれば、上記の利点を有効に享受しつつ、トルク損失や発熱が小さく高効率なプロペラシャフトを実現できる。

以上の実情に鑑み、本発明の目的は、プロペラシャフトの使用作動角の範囲内において、トルク損失や発熱が少なく高効率で、しかも所望の継手性能を安定的に発揮することのできる６個ボールタイプのトラック溝交差型固定式等速自在継手を提供することにある。

上述したように、トラック溝交差型の固定式等速自在継手において、くさび角は、継手の作動角の他、継手の軸線に対するトラック溝の傾斜角や、トラック溝に対するボールの接触角に応じて変化する。そして、６個ボールタイプの交差型固定式ＣＶＪ（厳密には、作動角０°の状態でプラス側のくさび角が形成されるボールトラックとマイナス側のくさび角が形成されるボールトラックとを周方向で交互に配置した６個ボールタイプの交差型固定式ＣＶＪ）では、両継手部材が一回転する間に各ボールトラックのくさび角が０とならなければ、保持器に回転力が作用することがなく、従って、保持器挙動の不安定化等の問題発生を回避することができる。

そこで、本発明者らは、上記の傾斜角を変更せずに上記の接触角を変更した場合、および上記の接触角を変更せずに上記の傾斜角を変更した場合のそれぞれにおいて、両継手部材が一回転する間にくさび角がどのように変化するかを検証した。その結果、傾斜角を変更せずに接触角を変更しても、くさび角が０となる位相は変化しないことが判明した。これは、図１２に示すように、例えば接触角をαとしたトラック溝で形成されるボールトラックＴαのくさび角、接触角をαよりも大きいα’としたトラック溝で形成されるボールトラックＴα’のくさび角、および接触角をα’よりも大きいα”としたトラック溝で形成されるボールトラックＴα”のくさび角が、同一位相で０になっていることから理解される。要するに、傾斜角を変更せずに接触角を変更しても、大きな作動角がとられた場合には、各ボールトラックのくさび角が０となるのを回避することはできない。

これに対し、接触角を変更せずに傾斜角を変更した場合には、傾斜角の値に応じて各位相におけるくさび角の値が変わることが判明した。これは、図１３に示すように、例えば継手の軸線に対する傾斜角をβとしたトラック溝で形成されるボールトラックＴβのくさび角よりも、傾斜角β’（但しβ’＞β）としたトラック溝で形成されるボールトラックＴβ’のくさび角が各位相において大きくなっていること、また、ボールトラックＴβ’のくさび角よりも、傾斜角をβ”（但しβ”＞β’）としたトラック溝で形成されるボールトラックＴβ”のくさび角が各位相において大きくなっていることから理解される。以上の検証結果から、継手の軸線に対するトラック溝の傾斜角の範囲を適切に設定すれば、プロペラシャフトの使用作動角の範囲内（作動角１４°以下）において、トルク損失が少なく高効率で、しかも所望の継手性能を安定的に発揮することのできる６個ボールタイプの交差型固定式ＣＶＪを実現できることを本発明者らは見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、上記の目的を達成するために創案された本発明は、球状内周面に軸方向に延びる６本のトラック溝が形成された外側継手部材と、球状外周面に外側継手部材のトラック溝と対をなす６本のトラック溝が形成された内側継手部材と、対をなす外側継手部材のトラック溝と内側継手部材のトラック溝の間に介在してトルクを伝達するボールと、ボールを保持するポケット部を有すると共に、外側継手部材の球状内周面に嵌合する球状外周面および内側継手部材の球状外周面に嵌合する球状内周面を有する保持器とを備え、外側継手部材のトラック溝が、継手中心に対して軸方向にオフセットのない曲率中心をもつ円弧状に形成され、かつ継手の軸線に対して周方向に傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合うトラック溝で互いに反対方向に形成されており、内側継手部材のトラック溝が、作動角０°の状態の継手中心平面を基準として、外側継手部材の対となるトラック溝と鏡像対称に形成された固定式等速自在継手であって、プロペラシャフトに組み込んで使用されるものにおいて、継手の軸線に対する外側継手部材のトラック溝の傾斜角γを８°以上１６°以下に設定したことを特徴とする。

なお、本発明でいう「継手の軸線」とは、継手の回転中心となる長手方向の軸線を意味し、後述する実施形態における継手の軸線Ｎ−Ｎを指す。また、「作動角０°の状態の継手中心平面」とは、作動角０°の状態で継手中心を含んで継手の軸線と直交する方向に延びる平面、と同義である。

上記のように、６個ボールタイプのトラック溝交差型固定式等速自在継手において、継手の軸線に対する外側継手部材のトラック溝の傾斜角γを８°以上１６°以下に設定すれば、図６（ａ）に示す検証結果により、この等速自在継手がプロペラシャフトの使用作動角の範囲内（作動角１４°以下）で如何なる作動角をとったとしても、両継手部材が一回転する間に、対をなすトラック溝で形成されるボールトラックのくさび角が０となるのを回避することができる。そのため、使用時に保持器に回転力が作用するのを、すなわち保持器の挙動が不安定化するのを効果的に防止することができる。これにより、保持器挙動の不安定化に起因したトルク損失の増大や発熱等の問題発生を回避することができる。

上記構成において、ボールのピッチ円半径（ＰＣＲ）をＲ、ボールの直径をｄ、プロペラシャフトを自動車に組み込む際の当該固定式等速自在継手の作動角をθとしたとき、外側継手部材のトラック溝の有効長さＬは、Ｌ＝２×（Ｒ＋ｄ／２）×ｓｉｎ（θ／２）の関係式を満たすものとするのが好ましい。これにより、プロペラシャフトを自動車に組み込む際に、ボールがトラック溝から脱落するのを確実に防止することができる。

上記構成において、トラック溝の曲率中心は、継手の軸線上に配置しても良いし、継手の軸線より半径方向にオフセットさせた位置に配置しても良い。前者の構成を採用すれば、トラック溝深さを均一にすることができ、かつ加工を容易にすることができる。また、後者の構成を採用すれば、オフセット量に応じてトラック溝深さを調整することができるので、最適なトラック溝深さを確保することができる。

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に対し、ボールを３０°〜４５°の接触角で接触させることができる。このようにすれば、トラック溝とボールの接触状態を安定的に保つことができる。

以上のことから、本発明によれば、プロペラシャフトの使用作動角の範囲内において、トルク損失や発熱が少なく高効率で、しかも所望の継手性能を安定的に発揮することのできる６個ボールタイプのトラック溝交差型固定式等速自在継手を提供することができる。

（ａ）図は本発明の第１実施形態に係る固定式等速自在継手の部分縦断面図、（ｂ）図は同固定式等速自在継手の正面図である。 （ａ）図は図１に示す固定式等速自在継手を構成する外側継手部材の部分縦断面図、（ｂ）図は同外側継手部材の正面図である。 （ａ）〜（ｃ）図は、それぞれ、図１に示す固定式等速自在継手を構成する内側継手部材の背面図、側面図および正面図である。 図２に示す外側継手部材のトラック溝の詳細を示す部分縦断面図である。 図３に示す内側継手部材のトラック溝の詳細を示す縦断面図である。 （ａ）図は作動角および傾斜角の大きさが図１に示す固定式等速自在継手のくさび角の状態に与える影響を調査した結果を示す図であり、（ｂ）図は（ａ）図中に示す「○」の一例を模式的に示す図である。 図１に示す固定式等速自在継手を備えたプロペラシャフトの部分断面図である。 内側継手部材の概略斜視図である。 変形例に係る外側継手部材の概略斜視図である。 本発明に至る過程における技術的知見を説明する図であって、（ａ）図は６個ボールタイプのトラック溝交差型固定式等速自在継手が所定の作動角をとった状態で両継手部材が相対回転したときにおける各ボールトラックのくさび角の変化態様を示す図、（ｂ）図はボールトラックＴ₁が位相角９０°にあるときにおける各くさび角の状態を模式的に示す図である。 本発明に至る過程における技術的知見を説明する図であって、（ａ）図は６個ボールタイプのトラック溝交差型固定式等速自在継手が図１０よりも大きな作動角をとった状態で両継手部材が相対回転したときにおける各ボールトラックのくさび角の変化態様を示す図、（ｂ）〜（ｄ）図は、それぞれ、ボールトラックＴ₁が位相角０°、４５°および９０°にあるときにおける各くさび角の状態を模式的に示す図である。 本発明に至る過程における技術的知見を説明する図である。 本発明に至る過程における技術的知見を説明する図である。 （ａ）図は８個ボールタイプのトラック溝交差型固定式等速自在継手の一例を示す縦断面図、（ｂ）図は同固定式等速自在継手の正面図である。 （ａ）図は図１４に示す固定式等速自在継手が所定の作動角をとった状態で外側継手部材と内側継手部材が相対回転したときにおける各ボールトラックのくさび角の変化態様を示す図、（ｂ）図はボールトラックｔ₁が位相角９０°にあるときにおける各くさび角の状態を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１（ａ）に、本発明の第１実施形態に係る固定式等速自在継手１の部分縦断面図を示し、図１（ｂ）に、同等速自在継手１の正面図を示す。この等速自在継手１は、主にＦＲ車や４ＷＤ車に搭載され、トランスミッションからディファレンシャルに回転動力を伝達するプロペラシャフトに組み込んで使用されるものであり、リング状をなした外側継手部材２および内側継手部材３と、両継手部材２，３間に配置された６個のボール４と、ボール４を保持する保持器５とを備える。なお、この等速自在継手１を組み込んだプロペラシャフトについては後段で詳述する。

図２（ａ）（ｂ）に示すように、リング状をなした外側継手部材２の球状内周面６には軸方向に延びる６本のトラック溝７が形成されており、各トラック溝７は、継手の軸線Ｎ−Ｎに対して周方向に角度γ傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合うトラック溝７Ａ，７Ｂで互いに反対方向に形成されている。また、図３（ａ）（ｂ）にも示すように、内側継手部材３の球状外周面８には軸方向に延びる６本のトラック溝９が形成されており、各トラック溝９は、継手の軸線Ｎ−Ｎに対して周方向に角度γ傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合うトラック溝９Ａ，９Ｂで互いに反対方向に形成されている。内側継手部材３は、各トラック溝９が、外側継手部材２の対となるトラック溝７と交差するように外側継手部材２の内周に組み込まれている。そして、外側継手部材２と内側継手部材３の対となるトラック溝７，９の各交差部にボール４が１個ずつ配置されている。なお、図１（ａ）に示すトラック溝７，９は、それぞれ、図２（ａ）に示す平面Ｍおよび図３（ａ）に示す平面Ｑにおける断面を傾斜角γ＝０°まで回転させた状態で示している。

詳細な図示は省略するが、ボール４のピッチ円半径（ＰＣＲ）をＲ、ボール４の直径をｄ、プロペラシャフトを自動車に組み込む際の等速自在継手１の作動角をθとしたとき、外側継手部材２のトラック溝７（７Ａ，７Ｂ）の有効長さＬは、Ｌ＝２×（Ｒ＋ｄ／２）×ｓｉｎ（θ／２）の関係式を満たすように設定する。これにより、プロペラシャフトを自動車に組み込む際に、ボール４がトラック溝７（７Ａ，７Ｂ）から脱落するのを確実に防止することができる。

以下では、トラック溝の形態（傾斜状態や湾曲状態など）を的確に示すために、「ボール軌道中心線」なる用語を用いる。ボール軌道中心線とは、ボールがトラック溝に沿って移動するときに、ボールの中心が描く軌跡を意味する。したがって、トラック溝の形態は、ボール軌道中心線の形態と同じである。

図１（ａ）に示すように、外側継手部材２のトラック溝７のボール軌道中心線Ｘおよび内側継手部材３のトラック溝９のボール軌道中心線Ｙは、何れも、継手中心Ｏを曲率中心とした円弧状を呈する。このように、外側継手部材２のトラック溝７のボール軌道中心線Ｘおよび内側継手部材３のトラック溝９のボール軌道中心線Ｙの曲率中心を、何れも継手中心Ｏ、すなわち継手の軸線Ｎ−Ｎ上に配置したことにより、トラック溝７，９の深さを均一にすることができ、かつ加工を容易にすることができる。

詳細な図示は省略するが、トラック溝７，９の横断面（軸直交断面）形状は、楕円形状やゴシックアーチ状となっており、トラック溝７，９とボール４は、３０°〜４５°程度の接触角をもって接触する、いわゆるアンギュラコンタクトとなっている。したがって、ボール４は、トラック溝７，９の溝底より少し離れたトラック溝７，９の側面部に接触している。

ここで、トラック溝の符号について補足する。外側継手部材２のトラック溝全体を指す場合は符号７を付している。傾斜方向が異なるトラック溝を区別する場合には、継手の軸線Ｎ−Ｎに対して周方向一方側に傾斜したトラック溝に符号７Ａを付し、継手の軸線Ｎ−Ｎに対して周方向他方側に傾斜したトラック溝に符号７Ｂを付している。内側継手部材３のトラック溝９についても同様の要領で符号を付している。

図２（ａ）（ｂ）に基づき、外側継手部材２のトラック溝７が継手の軸線Ｎ−Ｎに対して周方向に傾斜している状態を説明する。図２（ａ）に示すように、トラック溝７Ａのボール軌道中心線Ｘと継手中心Ｏを含む平面Ｍは、継手の軸線Ｎ−Ｎに対して周方向一方側に角度γ傾斜している。また、トラック溝７Ａと周方向に隣り合うトラック溝７Ｂのボール軌道中心線Ｘと継手中心Ｏを含む平面Ｍは、継手の軸線Ｎ−Ｎに対して周方向他方側に角度γ傾斜している。

図３（ａ）（ｂ）に基づき、内側継手部材３のトラック溝９が継手の軸線Ｎ−Ｎに対して周方向に傾斜している状態を説明する。図３（ａ）に示すように、トラック溝９Ａのボール軌道中心線Ｙと継手中心Ｏを含む平面Ｑは、継手の軸線Ｎ−Ｎに対して周方向一方側に角度γ傾斜している。また、トラック溝９Ａと周方向に隣り合うトラック溝９Ｂのボール軌道中心線Ｙと継手中心Ｏを含む平面Ｑは、継手の軸線Ｎ−Ｎに対して周方向他方側（トラック溝９Ａの傾斜方向とは反対方向）に角度γ傾斜している。内側継手部材３のトラック溝９（９Ａ，９Ｂ）は、作動角０°の状態の継手中心平面Ｐを基準として、外側継手部材２の対となるトラック溝７（７Ａ，７Ｂ）と鏡像対称に形成されている。

次に、図４に基づいて、外側継手部材２の縦断面より見たトラック溝の詳細を説明する。なお、図４は、図２（ａ）中に示すトラック溝７Ａのボール軌道中心線Ｘと継手中心Ｏを含む平面Ｍで見た断面図、すなわち、継手の軸線Ｎ−Ｎに対して周方向に角度γだけ傾斜した傾斜軸Ｎ’−Ｎ’を含む平面における断面図である。図４には、傾斜方向が互いに異なるトラック溝７Ａ，７Ｂのうち、トラック溝７Ａのみを示している。外側継手部材２の球状内周面６には、トラック溝７Ａが軸方向に沿って形成されている。トラック溝７Ａは、継手中心Ｏを曲率中心とする（軸方向のオフセットがない）円弧状のボール軌道中心線Ｘを有する。トラック溝７Ａのボール軌道中心線Ｘと継手中心Ｏを含む平面Ｍ［図２（ａ）参照］上に投影された傾斜軸Ｎ’−Ｎ’の継手中心Ｏにおける垂線をＫとすると、この垂線Ｋは作動角０°の状態の継手中心平面Ｐ上にある。

同様に、図５に基づいて、内側継手部材３のトラック溝の詳細を説明する。図５は、図３（ａ）中に示すトラック溝９Ａのボール軌道中心線Ｙと継手中心Ｏを含む平面Ｑで見た断面図、すなわち、継手の軸線Ｎ−Ｎに対して周方向に角度γ傾斜した傾斜軸Ｎ’−Ｎ’を含む平面における断面を示している。図５には、傾斜方向が互いに異なるトラック溝９Ａ，９Ｂのうち、トラック溝９Ａのみを示している。内側継手部材３の球状外周面８には、トラック溝９Ａが軸方向に沿って形成されている。トラック溝９Ａは、継手中心Ｏを曲率中心とする（軸方向のオフセットがない）円弧状のボール軌道中心線Ｙを有する。トラック溝９Ａのボール軌道中心線Ｙと継手中心Ｏを含む平面Ｑ［図３（ａ）参照］上に投影された傾斜軸Ｎ’−Ｎ’の継手中心Ｏにおける垂線をＫとすると、この垂線Ｋは作動角０°の状態の継手中心平面Ｐ上にある。

上述したように、外側継手部材２および内側継手部材３のトラック溝７，９は、それぞれが、周方向に隣り合うトラック溝で傾斜方向が互いに反対方向となっており、しかも対をなすトラック溝７，９は交差している。そのため、図１（ａ）に示す作動角０°の状態で両継手部材２，３が相対回転すると、保持器５の周方向に隣り合うポケット部５ａにはボール４から相反する方向の力が作用する。この相反する方向の力により保持器５は継手中心Ｏの位置で安定する。これにより、保持器５の球状外周面１２と外側継手部材２の球状内周面６との接触力、および保持器５の球状内周面１３と内側継手部材３の球状外周面８との接触力が抑制される。従って、球状面同士の接触に起因したトルク損失や発熱が効果的に抑制され、トルク伝達効率および耐久性に優れた等速自在継手が実現できる。

また、本発明に係る等速自在継手１では、継手の軸線Ｎ−Ｎに対する外側継手部材２のトラック溝７（７Ａ，７Ｂ）の傾斜角γを８°以上１６°以下に設定している。すなわち、トラック溝７（７Ａ，７Ｂ）のボール軌道中心線Ｘと継手中心Ｏを含む平面Ｍは、継手
の軸線Ｎ−Ｎに対して８°以上１６°以下の範囲で周方向に傾斜している。内側継手部材３のトラック溝９は、作動角０°の状態の継手中心平面Ｐを基準として、外側継手部材２の対となるトラック溝７と鏡像対称に形成されていることから、継手の軸線Ｎ−Ｎに対するトラック溝９（９Ａ，９Ｂ）の傾斜角γも８°以上１６°以下に設定されている。すなわち、トラック溝９（９Ａ，９Ｂ）のボール軌道中心線Ｙと継手中心Ｏを含む平面Ｑは、継手の軸線Ｎ−Ｎに対して８°以上１６°以下の範囲で周方向に傾斜している。

上述のように、継手の軸線Ｎ−Ｎに対するトラック溝７，９の周方向の傾斜角γを８°以上１６°以下の範囲内に設定すれば、図６（ａ）に示す検証結果から、以上で説明した６個ボールタイプのトラック溝交差型等速自在継手１が作動角をとった状態で外側継手部材２と内側継手部材３が相対回転した場合であっても、上記作動角がプロペラシャフトの使用作動角の範囲内（１４°以下）である限り、対をなすトラック溝７，９で形成されるボールトラックのくさび角の開く向きが反転するような事態を確実に防止することができる。すなわち、図６（ａ）中に示す「○」の場合には、図６（ｂ）に示すように、両継手部材２，３が一回転する間に、作動角０°の状態でプラス側のくさび角がゼロあるいはマイナス側に移行したり、作動角０°の状態でマイナス側のくさび角がゼロあるいはプラス側に移行したりすることがない。従って、等速自在継手１の使用時に保持器５に回転力が作用するのを、すなわち保持器５の挙動が不安定化するのを確実に防止することができる。これにより、保持器挙動の不安定化に起因したトルク損失の増大や発熱等の問題発生を回避することができる。なお、図６（ａ）中に示す「△」および「×」について補足すると、これらは、それぞれ、図１０（ａ）および図１１（ａ）に例示した態様でくさび角が変化することを意味している。

図６（ａ）からも明らかなように、理論上、傾斜角γを大きくするほど、高作動角をとった状態で両継手部材２，３が相対回転したときでも、所望の継手性能を安定的に維持することができる。しかしながら、傾斜角γを大きくするほど、内側継手部材３のトラック溝９の最も接近した側の球面幅Ｆ［図３（ｂ）参照］が小さくなるため、傾斜角γが大き過ぎると（ここでは傾斜角γが１６°を超えると）、内側継手部材３に必要とされる強度を確保するのが難しくなる。このような理由から、継手の軸線Ｎ−Ｎに対するトラック溝７，９の傾斜角γは、８°以上１６°以下の範囲に設定する。

図７に、以上で説明した６個ボールタイプのトラック溝交差型固定式等速自在継手１を備えるプロペラシャフトの概略断面図を示す。このプロペラシャフト２０は、等速自在継手１と、内側継手部材３の孔部に軸方向の一端部がスプライン結合されたシャフト２２と、外側継手部材２の外周面とシャフト２２の外周面に取り付けられ、継手内部に封入された潤滑剤の外部漏洩を防止するためのブーツ２１とを備える。シャフト２２は大径のパイプ部２２ａを有し、シャフト２２の軸方向の他端部には、摺動式等速自在継手あるいは固定式等速自在継手（図示省略）が連結される。ブーツ２１は、外側継手部材２の外周面に固定されたシール環２１ａと、一端がシール環２１ａに固定され、他端がブーツバンド２３によりシャフト２２に取り付けられた弾性ブーツ部２１ｂとからなる。なお、ブーツ２１のシール環２１ａは、例えば加締めによって外側継手部材２の外周面に固定されるが、ここでは詳細な図示を省略している。

このプロペラシャフト２０は、本発明に係る等速自在継手１を使用しているので、トルク損失や発熱が小さく高効率で、しかも軽量・コンパクトなものとなる。さらに、本発明に係る６個ボールタイプの等速自在継手１は、図１４に示す８個ボールタイプの等速自在継手１００に比べ、（１）部材総数が少ない分だけ低コスト化できる、（２）各部材の加工性や組立性が良好であるため、品質（性能）面での個体差を少なくすることができる、（３）ボールサイズを大きく出来る分だけ負荷容量を大きく出来る、などといった利点がある。従って、安価に製造可能でありながら、所望のトルク伝達性能を安定的に維持することのできる高品質のプロペラシャフト２０を実現できる。

以上、本発明の第１実施形態に係る等速自在継手１について説明を行ったが、上述した等速自在継手１には本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。以下、本発明の他の実施形態に係る等速自在継手について説明を行うが、以下では、上述した第１実施形態と異なる構成について重点的に説明を行うこととし、第１実施形態と実質的に同様の機能を奏する部材・部位には同一の符号を付して重複説明を省略する。

本発明の第２実施形態に係る固定式等速自在継手で使用される外側継手部材の部分断面図を図８に示し、本発明の第３実施形態に係る固定式等速自在継手で使用される内側継手部材の部分断面図を図９に示す。なお、図８は、図４と同様に、トラック溝７Ａのボール軌道中心線Ｘと継手中心Ｏを含む平面Ｍ［図２（ａ）参照］で見た外側継手部材の部分断面図であり、図９は、図５と同様に、トラック溝９Ａのボール軌道中心線Ｙと継手中心Ｏを含む平面Ｑ［図３（ａ）参照］で見た内側継手部材の部分断面図である。第２および第３実施形態の等速自在継手が、以上で説明した第１実施形態の等速自在継手１と異なる主な点は、トラック溝（ボール軌道中心線）の曲率中心を継手の軸線Ｎ−Ｎに対して半径方向にｆだけオフセットした位置に配置した点にある（継手中心Ｏに対する軸方向のオフセットはない）。すなわち、第２および第３実施形態では、トラック溝のボール軌道中心線の曲率中心を、垂線Ｋを含む作動角０°の状態の継手中心平面Ｐ上で半径方向にｆだけオフセットさせている。

図８に示す態様で外側継手部材２のトラック溝７（７Ａ，７Ｂ）のボール軌道中心線Ｘの曲率中心を継手の軸線Ｎ−Ｎに対して半径方向にｆだけオフセットさせた場合、外側継手部材２のトラック溝７（７Ａ，７Ｂ）の溝深さを深くすることができる（同図中の符号Ｒ，Ｒ’を参照）。但しこの場合、この外側継手部材２の内周に組み込まれる内側継手部材３のトラック溝９の溝深さは浅くなる。一方、図９に示す態様で内側継手部材３のトラック溝９（９Ａ，９Ｂ）のボール軌道中心線Ｙの曲率中心を継手の軸線Ｎ−Ｎに対して半径方向にｆだけオフセットさせた場合、内側継手部材３のトラック溝９（９Ａ，９Ｂ）の溝深さを深くすることができる（同図中の符号Ｒ，Ｒ’を参照）。但し、この場合、この内側継手部材３を内周に組み込む外側継手部材２のトラック溝７の溝深さは浅くなる。

要するに、図８や図９に示すように、トラック溝のボール軌道中心線の曲率中心を継手の軸線Ｎ−Ｎに対して半径方向にオフセットさせた場合、オフセットの向きやオフセット量に応じてトラック溝深さを調整することができる。

以上では、トラック溝を周方向に等ピッチで配置した固定式等速自在継手に本発明を適用した場合を示したが、トラック溝を周方向に不等ピッチで配置した固定式等速自在継手にも本発明は好ましく適用し得る。また、以上で説明した固定式等速自継手においては、継手の軸線Ｎ−Ｎに対するトラック溝の傾斜角γをすべてのトラック溝において等しいものとしたが、これに限られず、対をなす外側継手部材と内側継手部材のトラック溝の継手の軸線Ｎ−Ｎに対する傾斜角γが８°以上１６°以下の範囲で等しく形成されていれば、トラック溝の相互間で傾斜角γを異ならせても構わない。要は、保持器５のすべてのポケット部に作用するボール４の軸方向の力が、全体として釣り合うように各傾斜角度が設定されていればよい。また、以上では、ボール４をトラック溝７，９に対してアンギュラコンタクトさせた固定式等速自在継手に本発明を適用したが、これに限られず、本発明は、トラック溝７，９の横断面形状が円弧状に形成され、トラック溝７，９とボール４とがサーキュラコンタクトするように構成された固定式等速自在継手にも好ましく適用することができる。

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、さらに種々の形態で実施し得ることは勿論のことである。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。

１ 固定式等速自在継手
２ 外側継手部材
３ 内側継手部材
４ ボール
５ 保持器
５ａ ポケット部
６ 球状内周面
７ トラック溝
８ 球状外周面
９ トラック溝
１２ 球状外周面
１３ 球状内周面
２０ プロペラシャフト
Ｋ 垂線
Ｍ 平面（ボール軌道中心線を含む平面）
Ｎ 継手の軸線
Ｏ 継手中心
Ｐ 継手中心平面（作動角０°の状態の継手中心平面）
Ｑ 平面（ボール軌道中心線を含む平面）
Ｘ ボール軌道中心線
Ｙ ボール軌道中心線
γ 傾斜角

Claims (5)

1. 球状内周面に軸方向に延びる６本のトラック溝が形成された外側継手部材と、球状外周面に外側継手部材のトラック溝と対をなす６本のトラック溝が形成された内側継手部材と、対をなす外側継手部材のトラック溝と内側継手部材のトラック溝の間に介在してトルクを伝達するボールと、ボールを保持するポケット部を有すると共に、外側継手部材の球状内周面に嵌合する球状外周面および内側継手部材の球状外周面に嵌合する球状内周面を有する保持器とを備え、外側継手部材のトラック溝が、継手中心に対して軸方向にオフセットのない曲率中心をもつ円弧状に形成され、かつ継手の軸線に対して周方向に傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合う前記トラック溝で互いに反対方向に形成されており、内側継手部材のトラック溝が、作動角０°の状態の継手中心平面を基準として、外側継手部材の対となるトラック溝と鏡像対称に形成された固定式等速自在継手であって、プロペラシャフトに組み込んで使用されるものにおいて、
   継手の軸線に対する外側継手部材のトラック溝の傾斜角γを８°以上１６°以下に設定したことを特徴とする固定式等速自在継手。
2. ボールのピッチ円半径をＲ、ボールの直径をｄ、プロペラシャフトを自動車に組み込む際の当該固定式等速自在継手の作動角をθとしたとき、外側継手部材のトラック溝の有効長さＬが、Ｌ＝２×（Ｒ＋ｄ／２）×ｓｉｎ（θ／２）の関係式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の固定式等速自在継手。
3. 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の曲率中心を、継手の軸線上に配置した請求項１又は２に記載の固定式等速自在継手。
4. 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の曲率中心を、継手の軸線より半径方向にオフセットした位置に配置した請求項１又は２に記載の固定式等速自在継手。
5. 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に対し、ボールを３０°〜４５°の接触角で接触させた請求項１〜４の何れか一項に記載の固定式等速自在継手。

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