JP2019190547A - プロペラシャフト用摺動式等速自在継手 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車の更なる低燃費化、プロペラシャフトの高速回転化の要求に貢献できる小型、軽量なプロペラシャフト専用の摺動式等速自在継手を提供すること。【解決手段】プロペラシャフト用摺動式等速自在継手１は、外側継手部材２と、内側継手部材３と、外側継手部材２の直線状トラック溝７と内側継手部材３の直線状トラック溝９との間に組み込まれた８個のトルク伝達ボール４と、トルク伝達ボール４をポケット５ａに収容する保持器５とを備え、保持器５の球状外周面１２の曲率中心Ｏ１と球状内周面１３の曲率中心Ｏ２とが、それぞれポケット５ａの中心Ｏ３に対して軸方向の反対側に等しいオフセット量ｆを有するダブルオフセット型摺動式等速自在継手で構成される。内側継手部材３の肉厚Ｔｉとトルク伝達ボール４のボール径Ｄｂとの比Ｔｉ／Ｄｂが０．３０以上、０．４５以下である。トルク伝達ボール４のピッチ円直径ＰＣＤＢＡＬＬとトルク伝達ボール４の直径Ｄｂとの比ＰＣＤＢＡＬＬ／Ｄｂが３．３以上、３．６以下である。【選択図】図２

Description

この発明は、プロペラシャフト専用の摺動式等速自在継手に関する。

四輪駆動車（４ＷＤ車）やフロントエンジン後輪駆動車（ＦＲ車）などの自動車に使用されるプロペラシャフトには軸方向変位と角度変位に対応できる摺動式等速自在継手が使用されている。この摺動式等速自在継手として、ダブルオフセット型摺動式等速自在継手（ＤＯＪ）や、トリポード型摺動式等速自在継手（ＴＪ）、クロスグルーブ型摺動式等速自在継手（ＬＪ）などが使用されている。

近年、自動車の低燃費化に伴い、プロペラシャフトにおいても小型、軽量化が求められている。従来においては、構成部品の共通化という観点からドライブシャフト用に使用されている各部品（外側継手部材、内側継手部材、保持器など）が、外側継手部材の取付け部形状を変えて、その他の部品は、そのままプロペラシャフト用に用いられてきた。

プロペラシャフトに用いられる摺動式等速自在継手の一つとしてダブルオフセット型摺動式等速自在継手（以下、ＤＯＪともいう）がある。下記の特許文献１には、ＤＯＪのボール個数を８個として小型、軽量化を図ったものが提案されている。

特開平１０−７３１２９号公報

ＤＯＪは、軸方向のスライド量を比較的大きく取ることができ、使用実績が豊富で性能が安定しており、さらに、ボール個数を８個とすることで小型、軽量化を図ることができる。本発明者らは、自動車の更なる低燃費化、プロペラシャフトの小型、軽量化、高速回転化の要求に対応すべく、プロペラシャフトに用いられている現行のＤＯＪを種々検討した。

本発明は、自動車の更なる低燃費化、プロペラシャフトの高速回転化の要求に貢献できる小型、軽量なプロペラシャフト専用の摺動式等速自在継手を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の目的を達成するために種々検討し、以下の知見と着想によって、本発明に至った。
（１）図１１、図１２に示す現行の８個ボールタイプのプロペラシャフト用ＤＯＪは、ドライブシャフトにも使用できるように最大作動角を２５°程度としているが、本発明者らは、ＤＯＪを、プロペラシャフト用としての必要特性に特化させることで、ＤＯＪの機能が限定できる点に着目した。具体的には、ＤＯＪをプロペラシャフト専用とすることで、最大作動角を低く制限する（例えば１５°以下とする）ことができ、これによりＤＯＪの小型、軽量化を達成できることを見出した。
（２）プロペラシャフト専用のＤＯＪの最大作動角を低く制限することにより、次の具体的な技術的効果を得ることができる。
（ａ）各構成部品（外側継手部材、内側継手部材、保持器）の肉厚の低減による半径方向のコンパクト化、軽量化
（ｂ）ボールの軸方向移動量の低減による内側継手部材の軸方向のコンパクト化、軽量化
（ｃ）ボールの周方向移動量の低減による保持器の半径方向のコンパクト化、軽量化
（ｄ）ポケット荷重の低減による保持器の軸方向のコンパクト化、軽量化
（３）加えて、プロペラシャフト用ＤＯＪの作動角が小さく、かつ略一定で、高速回転という動的な要因に着目して更なる軽量・コンパクト化の可能性を検討した。その結果、保持器のオフセット量を小さくすることを着想し、これが、上記の（２）の技術的効果を飛躍的に促進させ、従来とは質的に異なる軽量・コンパクト化が達成できることが判明した。
（４）さらに性能面で、保持器のポケットとボールとの間の軸方向のポケットすきまδ１と、保持器と内側継手部材の球面間の軸方向すきまδ２を併用することを着想し、プロペラシャフト専用ＤＯＪとしての寿命の向上、高速回転化、スライド抵抗の低減、車両の振動特性の効果を検証し、本発明の有利な構成に至った。

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、プロペラシャフト用摺動式等速自在継手であって、円筒状内周面に８本の直線状トラック溝が軸方向に沿って形成された外側継手部材と、球状外周面に前記外側継手部材の直線状トラック溝に対向する８本の直線状トラック溝が軸方向に沿って形成されると共に、雌スプラインが形成された連結孔を有する内側継手部材と、前記外側継手部材の直線状トラック溝と前記内側継手部材の直線状トラック溝との間に組み込まれた８個のトルク伝達ボールと、前記トルク伝達ボールをポケットに収容し、前記外側継手部材の円筒状内周面で接触案内される球状外周面及び前記内側継手部材の球状外周面で接触案内される球状内周面を有する保持器とを備え、前記保持器の球状外周面の曲率中心と球状内周面の曲率中心とが、それぞれ前記ポケットの中心に対して軸方向の反対側に等しいオフセット量（ｆ）を有するダブルオフセット型摺動式等速自在継手で構成され、前記内側継手部材の肉厚Ｔｉと前記トルク伝達ボールのボール径Ｄｂとの比Ｔｉ／Ｄｂが０．３０以上、０．４５以下であり、前記トルク伝達ボールのピッチ円直径ＰＣＤ_ＢＡＬＬと前記トルク伝達ボールの直径Ｄｂとの比ＰＣＤ_ＢＡＬＬ／Ｄｂが３．３〜３．６であることを特徴とする。

ボールを介してトルクを伝達するボールタイプの等速自在継手では、作動角０°のときは各ボールが均等に負荷を受けるが、作動角を取ると各ボールに不均等な荷重が掛かり、作動角が高くなるほどその差が大きくなる。したがって、高い作動角の場合には、１か所のボールに掛かる最大荷重も大きくなるため、ボールと接触する内側継手部材、外側継手部材、及び保持器は、ボールから受ける荷重に耐え得るだけの厚い肉厚が要求される。

そこで、ＤＯＪをプロペラシャフト専用とすることで、最大作動角を低く制限することができるため、１か所のボールにかかる最大荷重が小さくなる。これにより、内側継手部材や外側継手部材がボールから受ける荷重が小さくなるため、これらの肉厚を小さくすることができ、ＤＯＪの半径方向のコンパクト化、軽量化を達成することができる。

また、ＤＯＪの最大作動角を低く制限することにより、保持器のポケット内のボールの周方向移動量が小さくなるので、ポケットの周方向長さを短くすることができる。これにより、保持器を小径化することが可能になるため、ボールのピッチ円直径ＰＣＤ_ＢＡＬＬ、ひいては、外側継手部材の外径を小さくすることができるため、ＤＯＪの半径方向のさらなるコンパクト化、軽量化を達成することができる。

また、ＤＯＪの最大作動角を低く制限することにより、内側継手部材の強度に余裕ができるため、シャフトが連結される内側継手部材の連結孔の内径、すなわち、雌スプラインのピッチ円径を大きくすることができる。これにより、低作動角時の最弱部品であるシャフトを大径化して強化することができるため、プロペラシャフトの耐久性が向上する。

ＤＯＪでは、保持器の球状外周面の曲率中心と球状内周面の曲率中心を軸方向でオフセットさせることで、あらゆる作動角においてボールを作動角の二等分面上に保持し、これにより等速でのトルク伝達を実現している。プロペラシャフトのＤＯＪは、作動角が小さくかつ略一定であるため、保持器の外周面の曲率中心と内周面の曲率中心とのオフセット量（ｆ）を小さくしても、スムーズなトルク伝達が可能となる。本発明者らは、保持器のオフセット量（ｆ）を小さくすることで、ＤＯＪの機能や耐久性を阻害することなく、保持器の軸方向寸法や半径方向肉厚を低減することが可能となることを見出し、これによりＤＯＪのさらなる小型軽量化を実現した。また、保持器のオフセット量（ｆ）を小さくすることで、保持器のポケットや外側継手部材の内周面に作用する力が低減されるため、高速回転で使用されるプロペラシャフト用のＤＯＪにおいて発熱量を抑制することができる。

上記のプロペラシャフト用摺動式等速自在継手では、保持器のポケットの軸方向壁面（軸方向で対向する面）とトルク伝達ボールとの間に軸方向のポケットすきまδ１を設けると共に、上記の保持器の球状内周面と内側継手部材の球状外周面との間に軸方向すきまδ２を設けることが望ましい。これにより、保持器とボールとの摺動、及び、保持器と内側継手部材との摺動による温度上昇が抑制されるため、継手の寿命の向上や高速回転化に有効であると共に、継手のスライド抵抗が低減される。また、上記のポケットすきまδ１及び軸方向すきまδ２により、エンジンからの振動を吸収することができるため、車両の振動特性の向上を図ることができる。特に、ポケットすきまδ１を０〜０．０５０ｍｍとすると共に、軸方向すきまδ２を０．５〜１．５ｍｍとすることが望ましい。

本発明によれば、自動車の更なる低燃費化、プロペラシャフトの高速回転化の要求に貢献できる、小型、軽量なプロペラシャフト専用の摺動式等速自在継手を実現することができる。

本発明の一実施形態に係るプロペラシャフト用摺動式等速自在継手が装着されたプロペラシャフトを示す図である。 本発明の一実施形態に係るプロペラシャフト用摺動式等速自在継手を示し、（ａ）図は（ｂ）図のＢ−Ｎ−Ｂ線における縦断面図であり、（ｂ）図は（ａ）図のＡ−Ａ線における横断面図である。 本実施形態に係るプロペラシャフト用摺動式等速自在継手とプロペラシャフトに用いられている現行の摺動式等速自在継手のそれぞれの縦断面を対比したもので、（ａ）図は、図２（ａ）の摺動式等速自在継手の軸線Ｎ−Ｎより上半分の縦断面を上側に示し、図１１（ａ）の摺動式等速自在継手の軸線Ｎ−Ｎより上半分の縦断面を反転させて下側に示した図である。（ｂ）図は、図２（ａ）の摺動式等速自在継手の軸線Ｎ−Ｎより下半分の縦断面を反転させて上側に示し、図１１（ａ）の摺動式等速自在継手の軸線Ｎ−Ｎより下半分の縦断面を下側に示した図である。 図２（ａ）の摺動式等速自在継手（上半分）と図１１（ａ）の摺動式等速自在継手（下半分）の内側継手部材及びボールとの軸方向移動状態を対比した断面図である。 図２（ａ）の内側継手部材、保持器およびボールを拡大した縦断面図である。 （ａ）図は、図５のＣ部の拡大図であり、（ｂ）図は、図５のＤ部の拡大図である。 （ａ）図は、ポケットすきまδ１及び軸方向すきまδ２を設けていない標準仕様の内側継手部材、保持器およびボールを示す縦断面図である。（ｂ）図は、ポケットすきまδ１と軸方向すきまδ２を設けた仕様の内側継手部材、保持器およびボール示す縦断面図である。（ｃ）図は、ポケットすきまδ１と軸方向すきまδ２を設けた別の仕様の内側継手部材、保持器およびボール示す縦断面図である。 図２の摺動式等速自在継手の最大作動角を示す縦断面図である。 図２の摺動式等速自在継手のブーツ装着状態で取れる作動角を示す縦断面図である。 図２（ｂ）の摺動式等速自在継手の横断面と図１１（ｂ）の摺動式等速自在継手の横断面とを比較した図である。 現行の摺動式等速自在継手を示し、（ａ）図は（ｂ）図のＦ−Ｎ−Ｆ線における縦断面図であり、（ｂ）図は（ａ）図のＥ−Ｅ線における横断面図である。 図１１の摺動式等速自在継手を組み立てた状態を示す縦断面図である。 ＦＦベースの４ＷＤ車の駆動系の概要を示す平面図である。 ＦＲベースの４ＷＤ車の駆動系の概要を示す平面図である。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

まず、プロペラシャフトを用いた四輪駆動車（以下、４ＷＤ車ともいう）を例にして駆動系の概要を図１３、図１４に基づいて説明する。

図１３に示すように、ＦＦ（フロントエンジン前輪駆動）ベースの４ＷＤ車の駆動系は、エンジン１００→トランスアクスル１１３→デファレンシャル１１１→トランスファ１１２→プロペラシャフト（リヤプロペラシャフト）１０２→デファレンシャル１０３→ドライブシャフト１０４→リヤ側車輪１０５という駆動力の伝達が行われる。また、フロント側において、エンジン１００→トランスアクスル１１３→デファレンシャル１１１→ドライブシャフト１０９→フロント側車輪１１０という駆動力の伝達が行われる。

図１４に示すように、ＦＲ（フロントエンジン後輪駆動）ベースの４ＷＤ車の駆動系は、エンジン１００→トランスミッション１０１→プロペラシャフト（リヤプロペラシャフト）１０２→デファレンシャル１０３→ドライブシャフト１０４→リヤ側車輪１０５という駆動力の伝達が行われる。また、フロント側において、エンジン１００→トランスミッション１０１→トランスファ１０６→プロペラシャフト（フロントプロペラシャフト）１０７→デファレンシャル１０８→ドライブシャフト１０９→フロント側車輪１１０という駆動力の伝達が行われる。

ＦＦベース、ＦＲベースのいずれの４ＷＤ車においも、最終減速機となるデファレンシャル１０３、１０８、１１１を経たドライブシャフト１０４、１０９に用いられる等速自在継手４５、４６、４７は、最大回転数が２０００ｍｉｎ^−１程度、常用最大作動角が１５°程度である。作動角の挙動として、ドライブシャフト１０４、１０９に用いられる等速自在継手４５、４６、４７では、車輪１０５、１１０の上下動があるので、これに追従する作動角が必要で、かつ、作動角が常時変動する。加えて、フロント側車輪１１０の場合は、車輪側の固定式等速自在継手４６には転舵のための大きな作動角が必要になる。本実施形態では、フロント側車輪１１０に取り付けられる固定式等速自在継手４６の最大作動角は４５°程度であり、それ以外の等速自在継手４６、４７の最大作動角は２０〜２５°程度である。

一方、プロペラシャフト１０２、１０７は、最終減速機となるデファレンシャル１０３、１０８、１１１の手前に配置されるので、高速回転で使用され、具体的には最大回転数が８０００ｍｉｎ^−１程度である。また、デファレンシャル１０３、１０８、１１１は独立懸架車では車体側に取付けられ、かつ、プロペラシャフト１０２、１０７の全長は長いので、プロペラシャフト１０２、１０７に用いられる等速自在継手１の作動角は、小さく、かつ略一定である。具体的には、等速自在継手１の常用最大作動角は１０°以下であり、最大作動角は１５°程度である。さらに、プロペラシャフト１０２、１０７に用いられる等速自在継手１は、ドライブシャフト１０４、１０９に用いられる等速自在継手４５、４６、４７より、伝達トルクが大幅に小さい。尚、図１３、図１４では、プロペラシャフト１０２、１０７に用いられる自在継手４３、４４、４８、４９をクロスジョイントで例示したが、これらの自在継手４３、４４、４８、４９の少なくとも一部は、等速自在継手が用いられる場合もある。

ＦＦベースの４ＷＤ車のプロペラシャフトを例にして、プロペラシャフトの概要を図１に基づいて説明する。プロペラシャフト１０２は、前方（図中右側、図１３のエンジン１００側）に位置する第１のプロペラシャフト４１と、後方（図中左側、図１３のデファレンシャル１０３側）に位置する第２のプロペラシャフト４２とから構成されている。

第１のプロペラシャフト４１は、主要部が中空パイプ６４で構成され、一端（前端）が、クロスジョイント４３を介してエンジン１００の出力側（トランスファ１１２、図１３参照）に連結されている。第１プロペラシャフト４１の中空パイプ６４の他端（後端）には、摺動式等速自在継手１が接続されている。この摺動式等速自在継手１が、本実施形態に係るプロペラシャフト用摺動式等速自在継手である。

第２のプロペラシャフト４２は、主要部が中空パイプ６５で構成され、一端（前端）が、ベアリングサポート６０により回転自在に支持されている。具体的には、ベアリングサポート６０は、ブラケット６１、弾性部材６２および転がり軸受６３とからなり、弾性部材６２の外環６２ａがブラケット６１に嵌合し、弾性部材６２の内環６２ｂが転がり軸受６３に嵌合している。第２のプロペラシャフト４２の一端にはシャフト２０が設けられ、シャフト２０の外周が転がり軸受６３に嵌合して半径方向に弾性支持されている。シャフト２０の一端（前端）は、摺動式等速自在継手１の内側継手部材の連結孔に連結されている。第２のプロペラシャフト４２の他端（後端）は、クロスジョイント４４を介してデファレンシャル１０３（図１３参照）に接続されている。以上のように、第１のプロペラシャフト４１と第２のプロペラシャフト４２とは、軸方向に連結した構成となっている。

本実施形態に係るプロペラシャフト用摺動式等速自在継手１の全体構成を図２（ａ）、図２（ｂ）に基づいて説明する。

本実施形態に係るプロペラシャフト用摺動式等速自在継手（以下、単に摺動式等速自在継手ともいう）１は、いわゆる、ダブルオフセット型摺動式等速自在継手（以下、ＤＯＪともいう）であり、外側継手部材２、内側継手部材３、トルク伝達ボール４および保持器５を主な構成とする。外側継手部材２の円筒状内周面６には、８本の直線状トラック溝７が円周方向に等間隔で、かつ軸方向に沿って形成されている。内側継手部材３の球状外周面８には、外側継手部材２のトラック溝７と対向する８本の直線状トラック溝９が円周方向に等間隔で、かつ軸方向に沿って形成されている。外側継手部材２の直線状トラック溝７と内側継手部材３の直線状トラック溝９との間にトルク伝達ボール（以下、単にボールともいう）４が１個ずつ組み込まれている。ボール４は保持器５のポケット５ａに収容されている。

保持器５は、球状外周面１２と球状内周面１３を有し、球状外周面１２は外側継手部材２の円筒状内周面６と嵌合して接触案内され、球状内周面１３は内側継手部材３の球状外周面８と嵌合して接触案内されている。保持器５の球状外周面１２は曲率中心Ｏ１を有し、球状内周面１３は曲率中心Ｏ２を有している。曲率中心Ｏ１、Ｏ２は、保持器５のポケット５ａの中心Ｏ３に対して軸方向の反対側に等しいオフセット量ｆを有する。ここで、ポケット５ａの中心Ｏ３は、８個のポケット５ａのそれぞれの軸方向の中心を含む平面と継手の軸線Ｎ−Ｎとの交点を意味する。これにより、継手が作動角を取った場合、外側継手部材２と内側継手部材３の両軸線がなす角度を二等分する平面上にボール４が常に案内され、二軸間で回転トルクが等速で伝達される。

図２（ａ）に示すように、外側継手部材２の一端〔図２（ａ）の右端〕に第１のプロペラシャフト４１の中空パイプ６４と接合される大径部２ａが形成され、大径部２ａの近傍の内周孔にシールカバー１６が装着されている。内側継手部材３の軸心を貫通する連結孔１０には雌スプライン（セレーションを含む）１１が形成されており、シャフト２０（図１、図８参照）の雄スプライン２１が嵌合連結され、止め輪２２により軸方向に固定されている。

外側継手部材２の他端（開口側端部）の内周には止め輪溝１４が設けられる。この止め輪溝１４に装着された止め輪２３（図８参照）により、内側継手部材３、ボール４および保持器５からなる内側組立体が、外側継手部材２の開口側端部から抜け出すのを防止する。保持器５の大径側端部〔図２（ａ）の右側端部〕の内周には、内側継手部材３を組み込むための円筒面状の切欠き５ｃが設けられている。外側継手部材２の開口側端部の外周にブーツ装着溝１５が設けられている。図９に示すように、外側継手部材２のブーツ装着溝１５とシャフト２０のブーツ装着溝２０ａにブーツ２５が装着され、ブーツバンド２７、２６により締付け固定されている。ブーツ２５とシールカバー１６とが協働して、継手内部に封入されたグリースの外部漏洩や継手外部からの異物侵入が防止される。

本実施形態の摺動式等速自在継手１の全体的な構成は以上のとおりであるが。次に特徴的な構成を説明する。本実施形態の摺動式等速自在継手１の特徴的な構成に至った開発過程の知見と着想は次のとおりである。
（１）ダブルオフセット型摺動式等速自在継手（ＤＯＪ）は、軸方向のスライド量を比較的に大きく取ることができ、使用実績が豊富で性能が安定しており、さらに、ボール個数を８個とすることで小型、軽量化を図ることができる。これらの点に着目し、自動車の更なる低燃費化、プロペラシャフトの小型、軽量化、高速回転化の要求に対応すべく、図１１、図１２に示す現行のプロペラシャフトに用いられているＤＯＪを種々検討した。その結果、現行のＤＯＪは、ドライブシャフトにも使用できるように最大作動角を２５°程度としているが、プロペラシャフト用としての必要特性に特化させることで、ＤＯＪの機能が限定できる点に着目した。具体的には、ＤＯＪをプロペラシャフト専用とすることで、最大作動角を低く制限する（例えば１５°以下とする）ことができ、これによりＤＯＪの小型、軽量化を達成できることを見出した。
（２）プロペラシャフト専用のＤＯＪの最大作動角を低く制限することにより、次の具体的な技術的効果を得ることができる。
（ａ）各構成部品（外側継手部材、内側継手部材、保持器）の半径方向肉厚の低減による半径方向のコンパクト化、軽量化
（ｂ）ボールの軸方向移動量の低減による内側継手部材の軸方向のコンパクト化、軽量化
（ｃ）ボールの周方向移動量の低減による保持器の半径方向のコンパクト化、軽量化
（ｄ）ポケット荷重の低減による保持器の軸方向のコンパクト化、軽量化
（３）加えて、プロペラシャフト用ＤＯＪの作動角が小さく、かつ略一定で、高速回転という動的な要因に着目して更なる軽量・コンパクト化の可能性を検討した。その結果、保持器のオフセット量を小さくすることを着想し、これが、上記の（２）の技術的効果を促進させ、ＤＯＪのさらなる軽量・コンパクト化が達成できることが判明した。

上記の特徴的な構成について、図１１、図１２に示す現行の摺動式等速自在継手と比較して説明する。図１１、図１２に示すように、現行の摺動式等速自在継手２０１は、８個のトルク伝達ボール２０４を使用したダブルオフセット型摺動式等速自在継手で、外側継手部材２０２、内側継手部材２０３、トルク伝達ボール２０４および保持器２０５を主な構成とし、最大作動角は２５°程度である。本実施形態に係る摺動式等速自在継手１のトルク伝達ボール４の直径Ｄｂと、現行の摺動式等速自在継手２０１のトルク伝達ボール２０４の直径Ｄｂ’とは等しい。基本的な内部構成は、本実施形態のプロペラシャフト用摺動式等速自在継手１と同様であるので、本実施形態のプロペラシャフト用摺動式等速自在継手１と同じ機能を有する部位には本実施形態に付した符号に２００を加算した符号を付し、ポケットの中心、曲率中心、オフセット量などのアルファベット符号については本実施形態の符号にダッシュ（’）を付している。

本実施形態に係る摺動式等速自在継手１と現行の摺動式等速自在継手２０１のそれぞれの縦断面を図３（ａ）、図３（ｂ）に基づいて対比して説明する。図３（ａ）は、図２（ａ）の軸線Ｎ−Ｎより上半分の縦断面を上側に示し、図１１（ａ）の軸線Ｎ−Ｎより上半分の縦断面を反転させて下側に示した図である。図３（ｂ）は、図２（ａ）の軸線Ｎ−Ｎより下半分の縦断面を反転させて上側に示し、図１１（ａ）の軸線Ｎ−Ｎより下半分の縦断面を下側に示した図である。

図３（ｂ）の継手の軸線Ｎ−Ｎの上側に示す本実施形態の摺動式等速自在継手１の最大作動角は１５°に設定されている。これに伴い、保持器５の外周の円錐状ストッパ面５ｄの傾斜角βは、最大作動角１５°の１／２である７．５°に形成されている。そのため、図８に示すように、摺動式等速自在継手１は、ブーツを装着前の状態で最大作動角θｍａｘ＝１５°を取ることができる。ただし、最大作動角は１５°以下の適宜の角度に設定してもよい。このように、作動角を取ったとき、外側継手部材２の円筒状内周面６と保持器５の外周の円錐状ストッパ面５ｄが当接することにより最大作動角が規制される。本明細書において最大作動角とは上記の意味を有する。なお、摺動式等速自在継手１にブーツを装着した完成状態では、図９に示すように、作動角を取ったとき、ブーツ２５とシャフト２０が当接することにより、取れる作動角が規制され、上記の最大作動角より小さくなる。

上記に対して、図３（ｂ）の継手の軸線Ｎ−Ｎの下側に示す現行の摺動式等速自在継手２０１の最大作動角はドライブシャフトに使用可能なように２５°程度に設定されており、保持器２０５の外周面の円錐状ストッパ面２０５ｄの傾斜角β’は、最大作動角２５°の１／２である１２．５°に形成されている。

ボールタイプの等速自在継手では、作動角０°のときは各ボールが均等に負荷を受けるが、作動角を取ると各ボールに不均等な荷重が掛かり、作動角が高くなるほど、その差が大きくなる。したがって、高い作動角の場合には、１か所のボールに掛かる最大荷重も大きくなるために、ボールと接触する内側継手部材、外側継手部材、及び保持器は、ボールから受ける最大荷重に耐え得るだけの厚い肉厚が要求される。これに対し、本実施形態の摺動式等速自在継手１では、最大作動角を低く制限することにより、構成部品である外側継手部材２、内側継手部材３および保持器５の必要強度を抑制できるため、これらの肉厚を薄くすることができる。また、最大作動角を低く制限することで、最大作動角時の保持器５のポケット５ａ内におけるボール４の半径方向移動量も小さくなることから、保持器５の肉厚を薄くすることができる。

具体的には、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、本実施形態の摺動式等速自在継手１の外側継手部材２の肉厚Ｔｏ（詳しくは、外側継手部材２のトラック溝７の溝底と外周面との半径方向距離）、内側継手部材３の肉厚Ｔｉ（詳しくは、内側継手部材３のトラック溝９の溝底と雌スプライン１１のピッチ円との半径方向距離）は、現行の摺動式等速自在継手２０１の外側継手部材２０２の肉厚Ｔｏ’、内側継手部材２０３の肉厚Ｔｉ’より、それぞれ薄くなっている。最適値としては、内側継手部材３の肉厚Ｔｉとボール径Ｄｂとの比Ｔｉ／Ｄｂは０．３０〜０．４５である。また、外側継手部材２の肉厚Ｔｏとボール径Ｄｂとの比Ｔｏ／Ｄｂは０．２５〜０．２９である。

ボールタイプの等速自在継手では、作動角が高くなるほど、保持器に対するボールの周方向移動量が大きくなる。現行の８個ボールを使用した摺動式等速自在継手２０１では、最大作動角を２５°程度に設定しているため、保持器２０５に対するボール２０４の周方向移動量が大きく、ボール２０４を収容する保持器２０５のポケット２０５ａの周方向長さを長くする必要がある。また、保持器２０５の柱部２０５ｂ〔図１１（ｂ）参照〕の強度を確保するために、柱部２０５ｂの周方向寸法の縮小には限界がある。その結果、保持器２０５の外径が大きくなり、摺動式等速自在継手２０１の十分な小型化ができなかった。また、それに伴って、内側継手部材２０３の肉厚Ｔｉ’も必要以上に厚いものとなっていた。

これに対し、上記のように摺動式等速自在継手１の最大作動角を低く制限することにより、保持器５のポケット５ａ内のボール４の周方向移動量が小さくなるので、ポケット５ａの周方向長さを短くすることができ、保持器５の小径化、ひいては摺動式等速自在継手１の半径方向のコンパクト化が可能になる。また、保持器５を小径化することにより、内側継手部材３の肉厚を適正化して、ボール４のピッチ円直径ＰＣＤ_ＢＡＬＬを小さくすることができる。これに伴って、外側継手部材２の外径Ｄｏを小さくすることができる。最適値としては、ボール４のピッチ円直径ＰＣＤ_ＢＡＬＬとボール４の直径Ｄｂとの比ＰＣＤ_ＢＡＬＬ／Ｄｂが３．３以上、３．６以下である。

本実施形態の摺動式等速自在継手１と現行の摺動式等速自在継手２０１のそれぞれの横断面を図１０に対比して示す。本実施形態の摺動式等速自在継手１は、現行の摺動式等速自在継手２０１に比べて、外側継手部材２の外径Ｄｏで５％以上のコンパクト化を実現した。外側継手部材２の外径Ｄｏとボール４の直径Ｄｂとの比Ｄｏ／Ｄｂの最適値は、２．７以上、３．０以下である。

また、上記のように摺動式等速自在継手１の最大作動角を低く制限することにより、内側継手部材３の強度に余裕ができ、低作動角時の最弱部品であるシャフト２０を強化することができる。すなわち、内側継手部材３の雌スプライン１１のピッチ円直径（ＰＣＤ_ＳＰＬ）をアップさせることができ、その結果、低作動角時のプロペラシャフトの強度向上を図ることができる。最適値としては、雌スプライン１１のピッチ円直径ＰＣＤ_ＳＰＬとボール４の直径Ｄｂとの比ＰＣＤ_ＳＰＬ／Ｄｂが１．７５以上、１．８５以下である。一方、雌スプライン１１のピッチ円直径（ＰＣＤ_ＳＰＬ）を現行のままとし、内側継手部材３の半径方向のコンパクト化の促進を図ることも可能である。

また、上記のように摺動式等速自在継手１の最大作動角を低く制限することにより、内側継手部材３、保持器５の軸方向幅を短縮することができ、摺動式等速自在継手１の軽量化、軸方向のコンパクト化が図られる。図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、摺動式等速自在継手１の内側継手部材３の軸方向幅Ｗｉ、保持器５の軸方向幅Ｗｃは、現行の摺動式等速自在継手２０１の内側継手部材２０３の軸方向幅Ｗｉ’、保持器２０５の軸方向幅Ｗｃ’に比べて大幅に短縮されている。

上記の摺動式等速自在継手１では、最大作動角によってボール４の軸方向移動量が決まってくるため、それに合わせて内側継手部材３の軸方向幅Ｗｉを設定すればよい。ボール４の軸方向移動量と内側継手部材３の軸方向幅Ｗｉの関係を図４に基づいて具体的に説明する。図４は、本実施形態に係る摺動式等速自在継手１と、プロペラシャフトに用いられている現行の摺動式等速自在継手２０１とにおいて、それぞれの内側継手部材とボールとの軸方向移動状態を対比した図である。摺動式等速自在継手１におけるボール４の軸方向移動量はＺｉであり、現行の摺動式等速自在継手２０１におけるボール２０４の軸方向移動量はＺｉ’である。軸方向移動量Ｚｉは、最大作動角が低い分、軸方向移動量Ｚｉ’に比べて短くなる。内側継手部材３の軸方向幅Ｗｉ、内側継手部材２０３の軸方向幅Ｗｉ’は、軸方向移動量Ｚｉ、Ｚｉ’のそれぞれに合わせて設定されているので、摺動式等速自在継手１の内側継手部材３の軸方向幅Ｗｉは、現行の摺動式等速自在継手２０１の内側継手部材２０３の軸方向幅Ｗｉ’に比べて大幅に短縮される。

内側継手部材３の軸方向幅Ｗｉが短すぎると、内側継手部材３の雌スプライン１１とシャフト２０の雄スプライン２１とのスプライン嵌合長さが不足し、内側継手部材３とシャフト２０との結合強度不足が生じる。しかし、上記のように摺動式等速自在継手１の最大作動角を低く制限することで、内側継手部材３の強度に余裕ができるため、雌スプライン１１のピッチ円直径（ＰＣＤ_ＳＰＬ）を通常より大きく設定できる。これが、低作動角時の最弱部品であるシャフト２０の捩り強度、並びにスプライン歯面圧について有利に働くことで、スプライン嵌合長さを短縮することができるため、内側継手部材の軸方向幅Ｗｉを短縮して軽量化を図ることができる。最適値としては、内側継手部材３の軸方向幅Ｗｉとボール径Ｄｂとの比Ｗｉ／Ｄｂは１．２〜１．４である。

上記のように摺動式等速自在継手１の最大作動角を制限することにより、保持器５のポケット５ａに掛かるボール荷重が低減される。これにより、ポケット５ａの軸方向壁面と保持器５の端面との間の軸方向肉厚（すなわち、ポケット５ａの軸方向両側に設けられた環状部分の軸方向肉厚）を低減でき、もって軽量化が図られる。具体的には、図３（ｂ）に示すように、摺動式等速自在継手１の保持器５の軸方向幅Ｗｃは、現行の摺動式等速自在継手２０１の保持器２０５の軸方向幅Ｗｃ’に比べて大幅に短縮されている。最適値としては、保持器５の軸方向幅Ｗｃとボール径Ｄｂとの比Ｗｃ／Ｄｂは１．８〜２．０である。

以上に説明した本実施形態の摺動式等速自在継手１の軽量化、コンパクト化の技術的効果を飛躍的に促進させた保持器の小オフセット量化について、図３（ｂ）に基づいて説明する。開発過程において、プロペラシャフト用摺動式等速自在継手１の最大作動角が小さく、かつ角度が略一定で、高速回転という動的な要因に着目し、軽量・コンパクト化の可能性を抜本的に検討した。その結果、保持器５のオフセット量ｆを小さくすることが可能であることを着想し、これが上述した技術的効果を飛躍的に促進させ、摺動式等速自在継手１のさらなる軽量・コンパクト化が達成できることが判明した。

図３（ｂ）に示すように、摺動式等速自在継手１の保持器５のオフセット量ｆは、現行の摺動式等速自在継手２０１の保持器２０５のオフセット量ｆ’に比べて小さく設定されている。摺動式等速自在継手１では、プロペラシャフト専用の仕様として、保持器５のオフセット量ｆとボール４のピッチ円直径ＰＣＤ_ＢＡＬＬ〔図３（ａ）参照〕との比ｆ／ＰＣＤ_ＢＡＬＬが、０．０７以上、０．０９以下に設定されている。このような保持器５の小オフセット量化により、摺動式等速自在継手１のさらなる軽量・コンパクト化が達成できる。また、保持器５のオフセット量ｆを小さくすることで、保持器５のポケット５ａや外側継手部材２の内周面６に作用する力が低減されるため、高速回転で使用されるプロペラシャフト用の摺動式等速自在継手１において発熱量を抑制することができる。なお、現行の摺動式等速自在継手２０１の保持器２０５のオフセット量ｆ’とボール２０４のピッチ円直径ＰＣＤ_ＢＡＬＬ’〔図３（ａ）参照〕との比ｆ’／ＰＣＤ_ＢＡＬＬ’は、０．０９を超える値に設定されている。

本実施形態の摺動式等速自在継手１と現行の摺動式等速自在継手２０１との各寸法比率を表１に示す。

次に、プロペラシャフト用摺動式等速自在継手１としての振動特性、低発熱化、高速回転化という性能面での特徴を図５〜図７に基づいて説明する。

図５に示すように、保持器５のポケット５ａの軸方向壁面とボール４との間には、軸方向のポケットすきまδ１が設けられている。保持器５のポケット５ａの軸方向壁面の間の寸法をＬｃとし、ボール４のボール径Ｄｂとすると、ポケットすきまδ１は、δ１＝Ｌｃ−Ｄｂで表される。

図６に示すように、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との間には、軸方向すきまδ２が設けられている。軸方向すきまδ２は、例えば、保持器５を固定した状態で、内側継手部材３を軸方向一方側に移動させて内側継手部材３の球状外周面８を保持器５の球状内周面１３に当接させた位置から、内側継手部材３を軸方向他方側に移動させて内側継手部材３の球状外周面８が保持器５の球状内周面１３に当接する位置までの軸方向の相対移動量である。

上記のようなポケットすきまδ１及び軸方向すきまδ２を設けることにより、摺動式等速自在継手１のスライド抵抗が低減され、車両の振動特性の向上が図れると共に、抑温効果による摺動式等速自在継手１の寿命の向上が期待できる。特に、プロペラシャフトでは、ドライブシャフトに比べて高速回転で使用されるために有効である。

ポケットすきまδ１は、０〜０．０５ｍｍに設定することが好ましい。ポケットすきまδ１は、少しでも設けておけば効果を発揮することができる。また、ポケットすきまδ１が０．０５ｍｍより大きい場合は、作動角の二等分面からのボール４の外れ量が大きくなり、摺動式等速自在継手１の等速性、耐久性の低下につながる可能性がある。

軸方向すきまδ２は、０．５〜１．５ｍｍ程度に設定することが好ましい。軸方向すきまδ２が０．５ｍｍより小さい場合は、エンジンからの振動量（軸方向振幅量）を内側継手部材３と保持器５との間の軸方向の相対移動量で吸収できず、振動を伝播してしまう可能性がある。一方、軸方向すきまδ２が１．５ｍｍより大きい場合は、作動角の二等分面からのボール４の外れ量が大きくなり、摺動式等速自在継手１の等速性、耐久性の低下につながる可能性がある。

ポケットすきまδ１と軸方向すきまδ２の各仕様について、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）に基づいて説明する。図７（ａ）に示す標準仕様では、保持器５のポケット５ａの軸方向壁面とボール４との間に軸方向のポケットすきまδ１が設けられていない。また、保持器５の球状内周面１３の曲率半径Ｒｃと内側継手部材３の球状外周面８の曲率半径Ｒｉとは、摺動案内のための僅かな球面すきまはあるが、実質的にＲｃ≒Ｒｉであり、軸方向すきまδ２は設けられていない。

本実施形態の摺動式等速自在継手１は、図７（ｂ）、図７（ｃ）に示すように、ポケットすきまδ１と軸方向すきまδ２（図５参照）を設けた仕様となっている。図７（ｂ）に示す仕様では、ポケットすきまδ１を設けると共に、保持器５の球状内周面１３の曲率半径Ｒｃ’を内側継手部材３の球状外周面８の曲率半径Ｒｉより大きくし、かつ、曲率半径Ｒｃ’の曲率中心を保持器５の軸心より半径方向にオフセットさせている。これにより、内側継手部材３の軸方向の中央で内側継手部材３の球状外周面８と保持器５の球状内周面１３が当接するが、内側継手部材３の両側では軸方向すきまδ２（図５参照）が形成される。

図７（ｃ）は、ポケットすきまδ１と軸方向すきまδ２を設けた別の仕様を示す。この仕様では、内側継手部材３の球状外周面８は曲率半径Ｒｉの単一の球面で形成されているが、保持器５の球状内周面１３は、内側継手部材３の軸方向の中央に対応する位置に、Ｓの範囲で円筒部１３ａが形成され、円筒部１３ａの両端部に曲率半径Ｒｃの球面が滑らかに接続されている。保持器５の球状内周面１３の曲率半径Ｒｃと内側継手部材３の球状外周面８の曲率半径Ｒｉとは、摺動案内のための僅かな球面すきまはあるが、実質的にＲｃ≒Ｒｉである。この仕様では、保持器５と内側継手部材３とが軸方向に相対移動する際、内側継手部材３の球状外周面８の軸方向の中央が円筒部１３ａによって摺動案内されるため、滑らかに相対移動できる。

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 プロペラシャフト用摺動式等速自在継手
２ 外側継手部材
３ 内側継手部材
４ トルク伝達ボール
５ 保持器
１０２ プロペラシャフト
１０７ プロペラシャフト
Ｏ１ 保持器の球状外周面の曲率中心
Ｏ２ 保持器の球状内周面の曲率中心
Ｏ３ 保持器のポケットの中心

Claims (7)

1. プロペラシャフト用摺動式等速自在継手であって、
   円筒状内周面に８本の直線状トラック溝が軸方向に沿って形成された外側継手部材と、球状外周面に前記外側継手部材の直線状トラック溝に対向する８本の直線状トラック溝が軸方向に沿って形成されると共に、雌スプラインが形成された連結孔を有する内側継手部材と、前記外側継手部材の直線状トラック溝と前記内側継手部材の直線状トラック溝との間に組み込まれた８個のトルク伝達ボールと、前記トルク伝達ボールをポケットに収容し、前記外側継手部材の円筒状内周面で接触案内される球状外周面及び前記内側継手部材の球状外周面で接触案内される球状内周面を有する保持器とを備え、前記保持器の球状外周面の曲率中心と球状内周面の曲率中心とが、それぞれ前記ポケットの中心に対して軸方向の反対側に等しいオフセット量（ｆ）を有し、
   前記内側継手部材の肉厚Ｔｉと前記トルク伝達ボールのボール径Ｄｂとの比Ｔｉ／Ｄｂが０．３０以上、０．４５以下であり、
   前記トルク伝達ボールのピッチ円直径ＰＣＤ_ＢＡＬＬと前記トルク伝達ボールの直径Ｄｂとの比ＰＣＤ_ＢＡＬＬ／Ｄｂが３．３以上、３．６以下であるプロペラシャフト用摺動式等速自在継手。
2. 前記内側継手部材の雌スプラインのピッチ円直径ＰＣＤ_ＳＰＬと前記トルク伝達ボールのボール径Ｄｂとの比ＰＣＤ_ＳＰＬ／Ｄｂが１．７５以上、１．８５以下である請求項１に記載のプロペラシャフト用摺動式等速自在継手。
3. 前記外側継手部材の外径Ｄｏと前記内側継手部材の雌スプラインのピッチ円直径ＰＣＤ_ＳＰＬとの比Ｄｏ／ＰＣＤ_ＳＰＬが２．７以上、３．０以下である請求項１又は２に記載のプロペラシャフト用摺動式等速自在継手。
4. 前記オフセット量（ｆ）と前記トルク伝達ボールのピッチ円直径ＰＣＤ_ＢＡＬＬとの比ｆ／ＰＣＤ_ＢＡＬＬが０．０７以上、０．０９以下である請求項１〜３の何れか１項に記載のプロペラシャフト用摺動式等速自在継手。
5. 前記ポケットの軸方向壁面とトルク伝達ボールとの間に軸方向のポケットすきまδ１が設けられると共に、前記保持器の球状内周面と前記内側継手部材の球状外周面との間に軸方向すきまδ２が設けられている請求項１〜４の何れか１項に記載のプロペラシャフト用摺動式等速自在継手。
6. 前記ポケットすきまδ１が０〜０．０５ｍｍであると共に、前記軸方向すきまδ２が０．５〜１．５ｍｍである請求項５に記載のプロペラシャフト用摺動式等速自在継手。
7. 最大作動角が１５°以下に設定されている請求項１〜６のいずれか１項に記載のプロペラシャフト用摺動式等速自在継手。

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