JP2017172765A - 固定式等速自在継手 - Google Patents

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Abstract

【課題】高効率、高作動角で強度、耐久性に優れた固定式等速自在継手の提供。【解決手段】第１トラック溝部７ａと、第２トラック溝部７ｂとからなり、溝部７ａは、継手中心Ｏに対し軸方向オフセットない単一曲率半径Ｒ１ボール軌道中心線Ｘａを有し、中心線Ｘａと中心Ｏを含む平面Ｍが継手軸線Ｎ−Ｎに傾斜し、隣接する溝部７ａで反対方向に形成され、溝部７ａの中心線Ｘａ端部Ａが中心Ｏより開口側に位置し、端部Ａに溝部７ｂの中心線Ｘｂが接続され、ボール軌道中心線Ｙは、作動角０°で中心Ｏを含み軸線Ｎ−Ｎに直交する平面Ｐを基準とし、ボール軌道中心線と鏡像対称に形成された固定式等速自在継手にて、溝部７ｂ中心線Ｘｂは、軸線Ｎ−Ｎに半径方向にオフセットした曲率半径Ｒ２を有し、半径Ｒ２が半径Ｒ１より大に設定。【選択図】図１

Description

本発明は、固定式等速自在継手に関し、詳しくは、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角度変位のみを許容する固定式等速自在継手に関する。
例えば、自動車のフロント用ドライブシャフトには、通常、インボード側（デフ側）に、最大作動角は比較的小さいが作動角を取りつつ軸方向変位が可能な摺動式等速自在継手が組み込まれ、アウトボード側（車輪側）は、車輪が操舵されるので、大きな作動角が取れるが軸方向に変位しない固定式等速自在継手が組み込まれる。
大きな作動角が取れる固定式等速自在継手の高効率化、低発熱化を狙ったトラック溝交差タイプの固定式等速自在継手が提案されている（特許文献１）。この固定式等速自在継手は、球状内周面に軸方向に延びる複数のトラック溝が形成され、軸方向に離間する開口側と奥側を有する外側継手部材と、球状外周面に外側継手部材のトラック溝と対をなす複数のトラック溝が形成された内側継手部材と、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との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、このボールを保持し、外側継手部材の球状内周面と内側継手部材の球状外周面とに嵌合する球状外周面と球状内周面を有する保持器とを備えた固定式等速自在継手において、外側継手部材のトラック溝は、奥側に位置する第１のトラック溝部と、開口側に位置する第２のトラック溝部とからなり、第１のトラック溝部は、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のボール軌道中心線を有し、ボール軌道中心線と継手中心を含む平面が継手の軸線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第１のトラック溝部で互いに反対方向に形成されており、第２のトラック溝部のボール軌道中心線が直線状部分を有し、かつこの直線状部分は開口側に行くにつれて前記継手の軸線に接近するように傾斜して形成されており、第１のトラック溝部のボール軌道中心線の端部が継手中心より軸方向に開口側に位置し、この端部に第２のトラック溝部のボール軌道中心線が接続されたものであって、内側継手部材のトラック溝のボール軌道中心線は、作動角０°の状態で継手中心を含む平面を基準として、外側継手部材の対となるトラック溝のボール軌道中心線と鏡像対称に形成されている（特許文献１の請求項１、他）。
特許第５８４０４６３号公報
特許文献１の固定式等速自在継手は、前述した構成により、トルク損失および発熱が少なく高効率で、高作動角を取ることができ、高作動角時の強度や耐久性にも優れ、特に、高作動角時における直線状のトラック溝のくさび角の大きさを抑制することができるので、保持器の強度を確保することができる。このように、特許文献１の固定式等速自在継手は極めて優れたものであるが、更なる高次元の性能を求めた改善に着目した。
上記の更なる高次元の性能改善に鑑み、本発明は、トルク損失および発熱が少なく高効率で、高作動角を取ることができ、高作動角時のくさび角や接触面圧、有効トラック長さのバランスを極めた強度、耐久性に優れたコンパクトな固定式等速自在継手を提供することを目的とする。
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、球状内周面に軸方向に延びる複数のトラック溝が形成され、軸方向に離間する開口側と奥側を有する外側継手部材と、球状外周面に前記外側継手部材のトラック溝と対をなす複数のトラック溝が形成された内側継手部材と、前記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との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、このボールを保持し、前記外側継手部材の球状内周面と内側継手部材の球状外周面とに嵌合する球状外周面と球状内周面を有する保持器とを備えた固定式等速自在継手であって、前記外側継手部材のトラック溝は、奥側に位置する第１のトラック溝部（７ａ）と、開口側に位置する第２のトラック溝部（７ｂ）とからなり、前記第１のトラック溝部（７ａ）は、継手中心（Ｏ）に対して軸方向にオフセットのない曲率中心を持つ単一の曲率半径（Ｒ１）のボール軌道中心線（Ｘａ）を有し、ボール軌道中心線（Ｘａ）と継手中心（Ｏ）を含む平面（Ｍ）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前記第１のトラック溝部（７ａ）で互いに反対方向に形成され、前記第１のトラック溝部（７ａ）のボール軌道中心線（Ｘａ）の端部（Ａ）が前記継手中心（Ｏ）より開口側に位置し、この端部（Ａ）に前記第２のトラック溝部（７ｂ）のボール軌道中心線（Ｘｂ）が接続されてなり、前記内側継手部材のトラック溝のボール軌道中心線（Ｙ）は、作動角０°の状態で継手中心（Ｏ）を含み継手の軸線（Ｎ−Ｎ）に直交する平面（Ｐ）を基準として、前記外側継手部材の対となるトラック溝のボール軌道中心線と鏡像対称に形成された固定式等速自在継手において、前記第２のトラック溝部（７ｂ）のボール軌道中心線（Ｘｂ）は、継手の軸線（Ｎ−Ｎ）に対して半径方向にオフセットした曲率中心を持つ単一の曲率半径（Ｒ２）を有し、この曲率半径（Ｒ２）が前記曲率半径（Ｒ１）より大きく設定されていることを特徴とする。ここで、上記の継手の軸線とは、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。特許請求の範囲に記載の継手の軸線も同じとする。
上記の構成により、トルク損失および発熱が少なく高効率で、高作動角を取ることができ、高作動角時のくさび角や接触面圧、有効トラック長さのバランスを極めた強度、耐久性に優れたコンパクトな固定式等速自在継手を実現することができる。特に、トルク伝達ボールとトラック溝との接触点の相対移動距離・速度の大きい外側継手部材に対して、ボールと第２のトラック溝部との接触面圧の軽減は、性能面（効率、耐久性）で顕著な効果が得られる。
具体的には、上記の曲率半径（Ｒ２）と曲率半径（Ｒ１）との比Ｒ２／Ｒ１が３〜１０の範囲内に設定されていることが好ましい。これにより、高作動角時、第２のトラック溝部７ｂ、９ｂのくさび角の大きさや有効トラック長さおよびトルク伝達ボールと第２のトラック溝部７ｂ、９ｂの接触面圧を高次元でバランスさせることができる。
上記の第１のトラック溝部７ａのボール軌道中心線Ｘａの開口側の端部Ａと継手中心Ｏとを結ぶ直線Ｌが、作動角０°の状態の継手中心Ｏを含み継手の軸線Ｎ−Ｎに直交する平面Ｐに対してなす角度βが５°〜８°に設定されていることが好ましい。これは、常用角を１０°として角度βの下限は５°が不可欠であり、一方、角度βの上限の８°は、くさび角の大きさ、有効トラック長さ、接触面圧のバランスを確保できる比Ｒ２／Ｒ１の範囲から検証された。ここで、角度βは直線Ｌが平面Ｐ上の直線となす角の中で最小のものと定義する。そして、実施形態および特許請求の範囲においても同じとする。
上記のトルク伝達ボールの個数を８個とすることにより、軽量コンパクトで、高効率で、高作動角が取れる固定式等速自在継手、ひいては自動車のドライブシャフトを実現することができる。
本発明により、トルク損失および発熱が少なく高効率で、高作動角を取ることができ、高作動角時のくさび角や接触面圧、有効トラック長さのバランスを極めた強度、耐久性に優れたコンパクトな固定式等速自在継手を実現することができる。特に、トルク伝達ボールとトラック溝との接触点の相対移動距離・速度の大きい外側継手部材に対して、ボールと第２のトラック溝部との接触面圧の軽減は、性能面（効率、耐久性）で顕著な効果が得られる。
（ａ）図は本発明の一実施形態に係る固定式等速自在継手の部分縦断面図で、（ｂ）図は側面図である。 （ａ）図は、図１の固定式等速自在継手の外側継手部材の部分縦断面図で、（ｂ）図は側面図である。 （ａ）図は、図１の固定式等速自在継手の内側継手部材の左側面図で、（ｂ）図は正面図で、（ｃ）図は右側面図である。 図２（ａ）の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（ｂ）の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。 継手が最大作動角を取った状態を示す概要図である。 （ａ）図は、図６の継手が最大作動角を取ったときのボールとトラック溝との接触状態を示す縦断面図で、（ｂ）図は（ａ）図の部分的な拡大図である。 継手が最大作動角を取った状態のくさび角を示す図である。 （ａ）図は外側継手部材の斜視図で、（ｂ）図は内側継手部材の斜視図である。 図１（ａ）の固定式等速自在継手を自動車のドライブシャフトに使用した状態を示す図である。
本発明の一実施形態を図１〜図１０に基づいて説明する。図１（ａ）は、本実施形態に係る固定式等速自在継手の部分縦断面図で、図１（ｂ）は右側面図である。この等速自在継手１は、外側継手部材２、内側継手部材３、ボール４および保持器５を主な構成とする。図１（ｂ）、図２および図３に示すように、外側継手部材２および内側継手部材３のそれぞれ８本のトラック溝７、９は、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７Ａ、７Ｂおよび９Ａ、９Ｂで互いに反対方向に形成されている。そして、外側継手部材２および内側継手部材３の対となるトラック溝７Ａ、９Ａおよび７Ｂ、９Ｂの各交差部に８個のボール４が配置されている。図１（ａ）では、トラック溝７、９については、それぞれ、図２（ａ）に示す平面Ｍおよび図３（ｂ）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。トラック溝７、９の詳細は後述する。
継手の縦断面を図１（ａ）に示す。軸方向に延びるトラック溝の傾斜状態や湾曲状態などの形態、形状を的確に示すために、本明細書では、ボール軌道中心線という用語を用いて説明する。ここで、ボール軌道中心線とは、トラック溝に配置されたボールがトラック溝に沿って移動するときのボールの中心が描く軌跡を意味する。したがって、トラック溝の傾斜状態は、ボール軌道中心線の傾斜状態と同じであり、また、トラック溝の円弧状の状態は、ボール軌道中心線の円弧状の状態と同じである。
図１（ａ）に示すように、外側継手部材２のトラック溝７はボール軌道中心線Ｘを有し、トラック溝７は、継手中心Ｏに対して軸方向にオフセットのない曲率中心を持つ単一の曲率半径Ｒ１のボール軌道中心線Ｘａを有する第１のトラック溝部７ａと、継手の軸線Ｎ−Ｎに対して半径方向にオフセットした曲率中心Ｏｏｂを持ち、曲率半径Ｒ１より大きな単一の曲率半径Ｒ２のボール軌道中心線Ｘｂを有する第２のトラック溝部７ｂとからなり、第１のトラック溝部７ａのボール軌道中心線Ｘａに第２のトラック溝部７ｂのボール軌道中心線Ｘｂが接線として滑らかに接続されている。一方、内側継手部材３のトラック溝９はボール軌道中心線Ｙを有し、トラック溝９は、継手中心Ｏに対して軸方向にオフセットのない曲率中心を持つ単一の曲率半径Ｒ１のボール軌道中心線Ｙａを有する第１のトラック溝部９ａと、継手の軸線Ｎ−Ｎに対して半径方向にオフセットした曲率中心Ｏｉｂを持ち、曲率半径Ｒ１より大きな単一の曲率半径Ｒ２のボール軌道中心線Ｙｂを有する第２のトラック溝部９ｂとからなり、第１のトラック溝部９ａのボール軌道中心線Ｙａに第２のトラック溝部９ｂのボール軌道中心線Ｙｂが接線として滑らかに接続されている。第１のトラック溝部７ａ、９ａのボール軌道中心線Ｘａ、Ｙａの各曲率中心を、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。
図示は省略するが、トラック溝７、９の横断面形状は、楕円形状やゴシックアーチ形状に形成されており、トラック溝７、９とボール４は、接触角（３０°〜４５°程度）をもって接触する、所謂、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の側面側で接触している。
図２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詳細に説明する。図２（ａ）は外側継手部材２の部分縦断面を示し、図２（ｂ）は外側継手部材２の右側面を示す。外側継手部材２のトラック溝７は、その傾斜方向の違いから、トラック溝７Ａ、７Ｂの符号を付す。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に対して角度γだけ傾斜している。そして、トラック溝７Ａに周方向に隣り合うトラック溝７Ｂは、図示は省略するが、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が、継手の軸線Ｎ−Ｎに対して、トラック溝７Ａの傾斜方向とは反対方向に角度γだけ傾斜している。
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、その第１のトラック溝部に符号７ａ、第２のトラック溝部に符号７ｂを付す。さらに、傾斜方向の違うトラック溝を区別する場合には符号７Ａ、７Ｂを付し、それぞれの第１のトラック溝部に符号７Ａａ、７Ｂａ、第２のトラック溝部に符号７Ａｂ、７Ｂｂを付す。後述する内側継手部材３のトラック溝についても、同様の要領で符号を付している。
次に、図３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詳細に説明する。図３（ｂ）は内側継手部材３の外周面を示し、図３（ａ）は内側継手部材３の左側面を、図３（ｃ）は右側面を示す。内側継手部材３のトラック溝９は、その傾斜方向の違いから、トラック溝９Ａ、９Ｂの符号を付す。図３（ｂ）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に対して角度γだけ傾斜している。そして、トラック溝９Ａに周方向に隣り合うトラック溝９Ｂは、図示は省略するが、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が、継手の軸線Ｎ−Ｎに対して、トラック溝９Ａの傾斜方向とは反対方向に角度γだけ傾斜している。傾斜角γは、等速自在継手１の作動性および内側継手部材３のトラック溝の最も接近した側の球面幅Ｆを考慮し、４°〜１２°にすることが好ましい。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、作動角０°の状態で継手中心Ｏを含み継手の軸線Ｎ−Ｎに直交する平面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のボール軌道中心線Ｘと鏡像対称に形成されている。
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。図４の部分縦断面は、前述した図２（ａ）のトラック溝７Ａのボール軌道中心線Ｘと継手中心Ｏを含む平面Ｍで見た断面図である。したがって、厳密には、継手の軸線Ｎ−Ｎを含む平面における縦断面図ではなく、角度γだけ傾斜した断面を示している。図４には、外側継手部材２のトラック溝７Ａが示されているが、トラック溝７Ｂは、傾斜方向がトラック溝７Ａとは反対方向であるだけで、その他の構成はトラック溝７Ａと同じであるので、説明は省略する。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はボール軌道中心線Ｘを有し、トラック溝７Ａは、継手中心Ｏを曲率中心（軸方向のオフセットがない）とする単一の曲率半径Ｒ１のボール軌道中心線Ｘａを有する第１のトラック溝部７Ａａと、継手の軸線Ｎ−Ｎ〔図１（ａ）参照〕に対して半径方向にオフセットした曲率中心Ｏｏｂを持ち、曲率半径Ｒ１より大きな単一の曲率半径Ｒ２のボール軌道中心線Ｘｂを有する第２のトラック溝部７Ａｂとからなる。そして、第１のトラック溝部７Ａａのボール軌道中心線Ｘａの開口側の端部Ａにおいて、第２のトラック溝部７Ａｂのボール軌道中心線Ｘｂが接線として滑らかに接続されている。すなわち、端部Ａが第１のトラック溝部７Ａａと第２のトラック溝７Ａｂとの接続点である。端部Ａは継手中心Ｏよりも開口側に位置するので、第１のトラック溝部７Ａａのボール軌道中心線Ｘａの開口側の端部Ａにおいて接線として接続される第２のトラック溝部７Ａｂのボール軌道中心線Ｘｂは、開口側に行くにつれて継手の軸線Ｎ−Ｎに接近するように形成されている。これにより、最大作動角時の有効トラック長さを確保すると共にくさび角および接触面圧をバランスよく抑制することができる。
図４に示すように、端部Ａと継手中心Ｏとを結ぶ直線をＬとする。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〕上に投影された継手の軸線Ｎ’−Ｎ’は継手の軸線Ｎ−Ｎに対しγだけ傾斜し、軸線Ｎ’−Ｎ’の継手中心Ｏにおける垂線Ｋと直線Ｌとがなす角度をβ’とする。上記の垂線Ｋは作動角０°の状態の継手中心Ｏを含む平面Ｐ上にある。したがって、本発明でいう直線Ｌが作動角０°の状態の継手中心Ｏを含む平面Ｐに対してなす角度βは、ｓｉｎβ＝ｓｉｎβ’×ｃｏｓγの関係になる。
同様に、図５に基づいて、内側継手部材３の縦断面よりトラック溝の詳細を説明する。図５の縦断面は、前述した図３（ｂ）のトラック溝９Ａのボール軌道中心線Ｙと継手中心Ｏを含む平面Ｑで見た断面図である。したがって、図４と同様に、厳密には、継手の軸線Ｎ−Ｎを含む平面における縦断面図ではなく、角度γだけ傾斜した断面を示している。図５には、内側継手部材３のトラック溝９Ａが示されているが、トラック溝９Ｂは、傾斜方向がトラック溝９Ａとは反対方向であるだけで、その他の構成はトラック溝９Ａと同じであるので、説明は省略する。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はボール軌道中心線Ｙを有し、トラック溝９Ａは、継手中心Ｏを曲率中心（軸方向のオフセットがない）とする単一の曲率半径Ｒ１のボール軌道中心線Ｙａを有する第１のトラック溝部９Ａａと、継手の軸線Ｎ−Ｎに対して半径方向にオフセットした曲率中心Ｏｉｂを持ち、曲率半径Ｒ１より大きな単一の曲率半径Ｒ２のボール軌道中心線Ｙｂを有する第２のトラック溝部９Ａｂとからなる。そして、第１のトラック溝部９Ａａのボール軌道中心線Ｙａの奥側の端部Ｂにおいて、第２のトラック溝部９Ａｂのボール軌道中心線Ｙｂが接線として滑らかに接続されている。すなわち、端部Ｂが第１のトラック溝部９Ａａと第２のトラック溝９Ａｂとの接続点である。端部Ｂは継手中心Ｏよりも奥側に位置するので、第１のトラック溝部９Ａａのボール軌道中心線Ｙａの奥側の端部Ｂにおいて接線として接続される第２のトラック溝部９Ａｂのボール軌道中心線Ｙｂは、奥側に行くにつれて継手の軸線Ｎ−Ｎ〔図１（ａ）参照〕に接近するように形成されている。これにより、最大作動角時の有効トラック長さを確保すると共にくさび角を抑制することができる。
図５に示すように、端部Ｂと継手中心Ｏとを結ぶ直線をＲとする。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（ｂ）参照〕上に投影された継手の軸線Ｎ’−Ｎ’は継手の軸線Ｎ−Ｎに対しγだけ傾斜し、軸線Ｎ’−Ｎ’の継手中心Ｏにおける垂線Ｋと直線Ｒとがなす角度をβ’とする。上記の垂線Ｋは作動角０°の状態の継手中心Ｏを含む平面Ｐ上にある。したがって、直線Ｒが作動角０°の状態の継手中心Ｏを含み継手の軸線Ｎ−Ｎに直交する平面Ｐに対してなす角度βは、ｓｉｎβ＝ｓｉｎβ’×ｃｏｓγの関係になる。
次に、直線Ｌ、Ｒが作動角０°の状態の継手中心Ｏを含み継手の軸線Ｎ−Ｎに直交する平面Ｐに対してなす角度βについて説明する。作動角θを取ったとき、外側継手部材２および内側継手部材３の継手中心Ｏを含み継手の軸線Ｎ−Ｎに直交する平面Ｐに対して、ボール４がθ／２だけ移動する。使用頻度が多い作動角の１／２より角度βを決め、使用頻度が多い作動角の範囲においてボール４が接触するトラック溝の範囲を決める。ここで、使用頻度が多い作動角について定義する。まず、継手の常用角とは、水平で平坦な路面上で１名乗車時の自動車において、ステアリングを直進状態にした時にフロント用ドライブシャフトの固定式等速自在継手に生じる作動角をいい、車種の設計条件に応じて選択・決定される。そして、使用頻度の多い作動角とは、上記の自動車が、例えば、交差点の右折・左折時などに生じる高作動角ではなく、連続走行する曲線道路などで固定式等速自在継手に生じる作動角をいい、常用角より若干大きくなる。本実施形態への検討過程において、常用角をベースに車両レイアウトや走行状態を考慮して、角度βの基準になる使用頻度の多い作動角を１０°に絞り込むことができた。これにより、角度βの下限を５°した。
本発明の実施形態に至ったのは、前述した角度βの下限値の究明と、これに加えて、角度βをベースにした第２のトラック溝部７ｂ、９ｂのボール軌道中心線Ｘｂ、Ｙｂの曲率半径Ｒ２の設定範囲に着目したことである。そして、高作動角時、第２のトラック溝部７ｂ、９ｂのくさび角の大きさや有効トラック長さおよびトルク伝達ボールと第２のトラック溝部７ｂ、９ｂの接触面圧を評価項目として、種々検証した。
まず、最大作動角θｍａｘ（例えば、４７°）における第２のトラック溝部７ｂ、９ｂのくさび角αは、実績データに基づいて２２°〜２４°とし、第２のトラック溝部７ｂ、９ｂのボール軌道中心線Ｘｂ、Ｙｂの曲率半径Ｒ２の寸法設定、言い換えれば、第２のトラック溝部７ｂ、９ｂのボール軌道中心線Ｘｂ、Ｙｂの曲率半径Ｒ２と第１のトラック溝部７ａ、９ａの曲率半径Ｒ１との比Ｒ２／Ｒ１を検証した。上記のくさび角α＝２２°〜２４°を満足する比Ｒ２／Ｒ１の検証結果を表１に示す。
Figure 2017172765
次に、第２のトラック溝部７ｂ、９ｂのくさび角の大きさや有効トラック長さおよび接触面圧を評価項目として、角度βの範囲を評価検討した。その評価結果を表２に示す。
Figure 2017172765
 〔評価結果〕○：良好、△：やや劣る
表１および表２の評価結果より、角度βの範囲は５°〜８°および比Ｒ２／Ｒ１の範囲は３〜１０が、高作動角時におけるくさび角の大きさ、有効トラック長さ、接触面圧の高次元でのバランスを確保できるものであることが確認できた。
上記の角度βにより、図４において、第１のトラック溝部７Ａａのボール軌道中心線Ｘａの端部Ａは、使用頻度が多い作動角時に軸方向に沿って最も開口側に移動したときのボールの中心位置となる。同様に、内側継手部材３では、図５において、第１のトラック溝部９Ａａのボール軌道中心線Ｙａの端部Ｂは、使用頻度が多い作動角時に軸方向に沿って最も奥側に移動したときのボールの中心位置となる。このように設定されているので、使用頻度が多い作動角の範囲では、ボール４は、外側継手部材２および内側継手部材３の第１のトラック溝部７Ａａ、９Ａａと、傾斜方向が反対の７Ｂａ、９Ｂａ（図２、図３参照）に位置するので、保持器５の周方向に隣り合うポケット部５ａにボール４から相反する方向の力が作用し、保持器５は継手中心Ｏの位置で安定する（図１参照）。このため、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、高負荷時や高速回転時に継手が円滑に作動し、トルク損失や発熱が抑えられ、耐久性が向上する。
本実施形態の等速自在継手が最大作動角を取った状態を図６に示す。前述したように、第２のトラック溝部７Ａｂのボール軌道中心線Ｘｂの曲率半径Ｒ２と第１のトラック溝部７Ａａのボール軌道中心線Ｘａの曲率半径Ｒ１との比Ｒ２／Ｒ１が３〜１０の範囲に設定されているので、最大作動角時における有効トラック長さを確保すると共にくさび角および接触面圧がバランスよく抑制することができる。そのため、図示のように、最大作動角θｍａｘを４７°程度の高角にしても、必要十分な入口チャンファ１０を設けた状態でボール４がトラック溝７Ａｂと接触状態を確保することができ、かつ、くさび角および接触面圧が大きくならないように抑えることができる。
尚、高作動角の範囲では、周方向に配置されたボール４が第１のトラック溝部７Ａａ、９Ａａ〔７Ｂａ、９Ｂａ、図２（ａ）および図３（ｂ）参照〕と第２のトラック溝部７Ａｂ、９Ａｂ〔７Ｂｂ、９Ｂｂ、図２（ａ）および図３（ｂ）参照〕に一時的に分かれて位置する。これに伴い、保持器５の各ポケット部５ａにボール４から作用する力が釣り合わず、保持器５と外側継手部材２との球面接触部１２、６および保持器５と内側継手部材３との球面接触部１３、８の接触力が発生するが、高作動角の範囲は使用頻度が少ないため、本実施形態の等速自在継手１は、総合的にみるとトルク損失や発熱を抑制できる。したがって、トルク損失および発熱が少なく高効率で、高作動角を取ることができ、高作動角時の強度や耐久性にも優れたコンパクトな固定式等速自在継手を実現することができる。
さらに、本実施形態の等速自在継手１の最大作動角時におけるトラック溝とボールの接触状態を図７に基づいて詳細に説明する。図７（ａ）は、等速自在継手１の縦断面図であり、図７（ｂ）は外側継手部材２のトラック溝７Ａとボール４との接触状態を示す拡大図である。この図においても、外側継手部材２のトラック溝７Ａが示されているが、トラック溝７Ｂは、傾斜方向がトラック溝７Ａとは反対方向であるだけで、その他の構成はトラック溝７Ａと同じであるので、説明は省略する。図７（ａ）に示すように継手が最大作動角θｍａｘを取ると、作動角０°の状態の継手中心Ｏを含む平面Ｐに対してボール４の中心Ｏｂはθｍａｘ／２の位置に移動する。このとき、ボール４と第２のトラック溝部７Ａｂとの接触点Ｓが入口チャンファ１０に最も近づく。第２のトラック溝部７Ａｂのボール軌道中心線Ｘｂの曲率半径Ｒ２と第１のトラック溝部７Ａａのボール軌道中心線Ｘａの曲率半径Ｒ１との比Ｒ２／Ｒ１が３〜１０の範囲に設定されているので、図７（ｂ）に拡大して示すように、ボール４と第２のトラック溝７Ａｂの接触点Ｓは、ボール４の中心Ｏｂを通って、ボール軌道中心線Ｘｂに対して直角な平面Ｔ上に位置する。比Ｒ２／Ｒ１が３〜１０の範囲に設定されているので、ボール４の中心Ｏｂと接触点Ｓとの間の軸方向の距離Ｗは抑制されトラック長さを確保できる。そのため、本実施形態では、最大作動角をとった状態で、入口チャンファ１０のエッジ部と接触点Ｓとの間にトラック余裕量Ｕを確保することができ、ボール４がトラック溝部７Ａｂと十分な接触状態を確保することができる。
また、本実施形態の等速自在継手１の最大作動角時におけるくさび角αは、第２のトラック溝部７Ａｂのボール軌道中心線Ｘｂの曲率半径Ｒ２と第１のトラック溝部７Ａａのボール軌道中心線Ｘａの曲率半径Ｒ１との比Ｒ２／Ｒ１が３〜１０の範囲に設定されているので、図８に示すように、実績のあるレベルに抑制される。特に、本実施形態では、トルク伝達ボール４とトラック溝７との接触点の相対移動距離・速度の大きい外側継手部材２に対して、ボール２と第２のトラック溝部７ｂとの接触面圧の軽減は、性能面（効率、耐久性）で顕著な効果が得られる。
図９に、本実施形態の等速自在継手の外側継手部材２と内側継手部材３の斜視図を示す。この斜視図は、これまでに説明したトラック溝を立体的に示している。図９（ａ）に示すように、外側継手部材２の球状内周面６に、継手の軸線Ｎ−Ｎ（図示省略）に対して周方向に傾斜したトラック溝７Ａ、７Ｂが交互に形成され、その傾斜方向は交互に反対方向に形成されている。トラック溝７Ａ、７Ｂは、それぞれ第１のトラック溝部７Ａａ、７Ｂａと第２のトラック溝部７Ａｂ、７Ｂｂとからなる。外側継手部材２の開口端に入口チャンファ１０が設けられている。また、図９（ｂ）に示すように、内側継手部材３の球状外周面８には、継手の軸線Ｎ−Ｎ（図示省略）に対して周方向に傾斜したトラック溝９Ａ、９Ｂが交互に形成され、その傾斜方向は交互に反対方向に形成されている。トラック溝９Ａ、９Ｂは、それぞれ第１のトラック溝部９Ａａ、９Ｂａと第２のトラック溝部９Ａｂ、９Ｂｂとからなる。
図１０は、本実施形態の固定式等速自在継手１を適用した自動車のフロント用ドライブシャフト２０を示す。固定式等速自在継手１は中間シャフト１１の一端に連結され、他端には摺動式トリポード型等速自在継手１５が連結されている。固定式等速自在継手１の外周面とシャフト１１の外周面との間、および摺動式トリポード型等速自在継手１５の外周面とシャフト１１の外周面との間に、それぞれ蛇腹状ブーツ１６ａ、１６ｂがブーツバンド１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄにより取り付け固定されている。継手内部には、潤滑剤としてのグリースが封入されている。本実施形態の固定式等速自在継手１を使用したので、トルク損失や発熱が小さく高効率で、かつ高作動角が取れ、軽量・コンパクトな自動車用ドライブシャフト２０が実現される。
以上の実施形態の固定式等速自在継手では、ボール４の個数を８個のもので説明したが、これに限られるものではない。ボールの個数は１０個〜１２個のものも適宜実施することができる。
また、以上の実施形態の固定式等速自在継手では、トラック溝とボールとが接触角をもって接触するアンギュラコンタクトの実施形態を示したが、これに限られず、トラック溝の横断面形状を円形状に形成したサーキュラコンタクトにしてもよい。
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。
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
６ 球状内周面
７ トラック溝
７ａ 第１のトラック溝部
７ｂ 第２のトラック溝部
８ 球状外周面
９ トラック溝
９ａ 第１のトラック溝
９ｂ 第２のトラック溝
１１ シャフト
１２ 球状外周面
１３ 球状内周面
２０ ドライブシャフト
Ａ 端部
Ｂ 端部
Ｋ 垂線
Ｌ 直線
Ｍ ボール軌道中心線を含む平面
Ｎ 継手の軸線
Ｏ 継手中心
Ｏｃｂ 曲率中心
Ｏｉｂ 曲率中心
Ｐ 継手中心平面
Ｑ ボール軌道中心線を含む平面
Ｒ 直線
Ｒ１ 曲率半径
Ｒ２ 曲率半径
Ｘ ボール軌道中心線
Ｙ ボール軌道中心線
γ 傾斜角
β 角度
θ 作動角

Claims (4)

  1. 球状内周面に軸方向に延びる複数のトラック溝が形成され、軸方向に離間する開口側と奥側を有する外側継手部材と、球状外周面に前記外側継手部材のトラック溝と対をなす複数のトラック溝が形成された内側継手部材と、前記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との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、このボールを保持し、前記外側継手部材の球状内周面と内側継手部材の球状外周面とに嵌合する球状外周面と球状内周面を有する保持器とを備えた固定式等速自在継手であって、前記外側継手部材のトラック溝は、奥側に位置する第１のトラック溝部（７ａ）と、開口側に位置する第２のトラック溝部（７ｂ）とからなり、前記第１のトラック溝部（７ａ）は、継手中心（Ｏ）に対して軸方向にオフセットのない曲率中心を持つ単一の曲率半径（Ｒ１）のボール軌道中心線（Ｘａ）を有し、ボール軌道中心線（Ｘａ）と継手中心（Ｏ）を含む平面（Ｍ）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前記第１のトラック溝部（７ａ）で互いに反対方向に形成され、前記第１のトラック溝部（７ａ）のボール軌道中心線（Ｘａ）の端部（Ａ）が前記継手中心（Ｏ）より開口側に位置し、この端部（Ａ）に前記第２のトラック溝部（７ｂ）のボール軌道中心線（Ｘｂ）が接続されてなり、前記内側継手部材のトラック溝のボール軌道中心線（Ｙ）は、作動角０°の状態で継手中心（Ｏ）を含み継手の軸線（Ｎ−Ｎ）に直交する平面（Ｐ）を基準として、前記外側継手部材の対となるトラック溝のボール軌道中心線と鏡像対称に形成された固定式等速自在継手において、
    前記第２のトラック溝部（７ｂ）のボール軌道中心線（Ｘｂ）は、継手の軸線（Ｎ−Ｎ）に対して半径方向にオフセットした曲率中心を持つ単一の曲率半径（Ｒ２）を有し、この曲率半径（Ｒ２）が前記曲率半径（Ｒ１）より大きく設定されていることを特徴とする固定式等速自在継手。
  2. 前記曲率半径（Ｒ１）と前記曲率半径（Ｒ１）との比Ｒ２／Ｒ１が３〜１０の範囲内に設定されている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. 前記第１のトラック溝部（７ａ）のボール軌道中心線（Ｘａ）の開口側の端部（Ａ）と前記継手中心（Ｏ）とを結ぶ直線（Ｌ）が、前記継手中心（Ｏ）を含み継手の軸線（Ｎ−Ｎ）に直交する平面（Ｐ）に対してなす角度（β）が５°〜８°に設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固定式等速自在継手。
  4. 前記トルク伝達ボールの個数が８個であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の固定式等速自在継手。
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