JP3889192B2 - 等速自在継手 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は摺動式トリポード型等速自在継手に関する。一般に、等速自在継手は駆動側と従動側の２軸を連結して２軸間に角度があっても等速で回転力を伝達することのできるユニバーサルジョイントの一種であって、摺動式のものは、継手のプランジングによって２軸間の相対的軸方向変位を可能にしたものであり、トリポード型は、半径方向に突出した３本の脚軸を備えたトリポード部材を一方の軸に結合し、軸方向に延びる３つのトラック溝を備えた中空円筒状の外側継手部材を他方の軸に結合し、外側継手部材のトラック溝内にトリポード部材の脚軸を収容してトルクの伝達を行うようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
摺動式トリポード型等速自在継手の一例を図８を参照して説明すると、外側継手部材１の内周面の軸方向に３本の円筒形トラック溝２を形成し、外側継手部材１内に挿入したトリポード部材４の半径方向に突設した３本の脚軸５の円筒状の外周面に複数の針状ころ６を介して回転可能に外嵌した円環状のローラ７をトラック溝２に挿入して構成される。各トラック溝２の円周方向で対向する一対のローラ案内面３は軸方向に平行な凹曲面であり、３本の脚軸５の各ローラ７の外周面はローラ案内面３に適合する凸曲面である。各ローラ７は、対応するトラック溝２のローラ案内面３に係合して脚軸５を中心に回転しながらトラック溝２に沿って移動可能である。
【０００３】
図８（Ｂ）に示すように、継手が作動角θをとった状態で回転力を伝達するとき、ローラ７とローラ案内面３とは図８（Ｃ）に示すように互いに斜交する関係となる。この場合、ローラ７は図８（Ｂ）に矢印ｔで示す方向に転がり移動しようとするのに対して、トラック溝２は外側継手部材の軸線と平行な円筒面の一部であるため、ローラ７はトラック溝２に拘束されながら移動することになる。その結果、ローラ案内面３とローラ７との相互間に滑りが発生してスライド抵抗が発生し、さらに、この滑りが軸方向に誘起スラストを発生させる。このようなスライド抵抗と誘起スラストは、車体の振動や騒音の発生原因となり、自動車のＮＶＨ性能に影響を与え、車両の足回りの設計自由度を低くするため、できるだけ低減させることが望まれる。
【０００４】
かかるスライド抵抗と誘起スラストの低減を企図した摺動式トリポード型等速自在継手として、たとえば図９に示す継手が知られている。すなわち、図示するように、トリポード部材４の脚軸５の外周面を真球面にして、この真球面に円筒状のリング８の円筒形内周面が摺動可能に外嵌している。リング８とローラ７とは転動体を介して相対回転自在のローラアセンブリを構成する。針状ころ６は、リング８の円筒形外周面とローラ７の円筒形内周面との間にいわゆる総ころ状態で配置され、円環状のワッシャ９で抜け止めがなされる。ローラ７は外側継手部材１のトラック溝２内に収容され、トラック溝２のローラ案内面３上を転動しながら外側継手部材１の軸方向に移動可能である。
【０００５】
脚軸５の外周面は脚軸５の軸線上に曲率中心を持つ真球面で、この曲率中心の回りをローラアセンブリ（７，８）が首振り揺動する。ローラアセンブリが首振り揺動自在であるため、外側継手部材１とトリポード部材４が作動角をとった状態で回転力伝達を行うとき、ローラ７は外側継手部材１の軸線と平行な姿勢を保つように外側継手部材１のローラ案内面３によって案内され、そのままの姿勢でローラ案内面３上を正しく転動する。したがって、作動角運転時における滑り抵抗が低減し、スライド抵抗と誘起スラストの発生が抑制されるというものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
自動車のエンジンから車輪に回転力を等速で伝達するために摺動式トリポード型等速自在継手を使用することが知られている。摺動式トリポード型等速自在継手は、トリポード部材の脚軸に球面ローラを取り付けてあり、脚軸外周面と球面ローラ内周面間に転動体として針状ころが保持器なしの総ころタイプで用いられる。そして、角度をとった状態でトルクを伝達するとき、内部部品間の相互摩擦によって、回転中には誘起スラストが、また、停止状態でも強制的に軸方向に伸縮させるとスライド抵抗がそれぞれ発生する。これら誘起スラストやスライド抵抗が関与する自動車の代表的なＮＶＨ現象として、前者との関連では走行中の車体の横振れ、後者との関連ではＡＴ車における停止時Ｄレンジのアイドリング振動現象がある。
【０００７】
自動車のＮＶＨ問題は、継手の誘起スラストやスライド抵抗の大きさを小さくすることが解決のポイントである。一般に、継手の誘起スラストやスライド抵抗は作動角の大きさに依存する傾向がある。このため、自動車のドライブシャフトに適用する場合、作動角を大きくできないという設計上の制約につながる。したがって、自動車の足回り設計の自由度を高めるには、誘起スラストやスライド抵抗の低位安定化が課題であった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、これら誘起スラストやスライド抵抗の一層の低減および安定化を図ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、円周方向に向き合って配置されたローラ案内面を有する３つのトラック溝が形成された外側継手部材と、半径方向に突出した３つの脚軸を備えたトリポード部材と、前記トラック溝に挿入されたローラと、前記脚軸に外嵌して前記ローラを回転自在に支持するリングとを備え、前記ローラが前記ローラ案内面に沿って外側継手部材の軸方向い移動可能な等速自在継手において、前記リングの内周面を円弧状凸断面に形成すると共に、前記脚軸の外周面を、縦断面においてはストレート形状とし、かつ、横断面においては、継手の軸線と直交する方向で前記リングの内周面と接触するとともに継手の軸線方向で前記リングの内周面との間にすきまを形成するようにし、前記ローラの外周面を脚軸の軸線上に曲率中心をおいた部分球面とし、かつ、前記ローラ案内面を外側継手部材の軸線と平行な部分円筒面とすることにより、前記ローラが前記トラック溝内で傾斜することを特徴とする等速自在継手である。
【００１０】
脚軸の横断面形状について、継手の軸線と直交する方向で前記リングの内周面と接触するとともに継手の軸線方向で前記リングの内周面との間にすきまを形成するような形状とは、言い換えれば、トリポード部材の軸方向で互いに向き合った面部分が相互方向に、つまり、仮想円筒面よりも小径側に退避している形状を意味する。その一つの具体例として楕円形が挙げられる（請求項２乃至５）。リングの凸円弧の曲率半径は、トリポード型等速自在継手特有の振れ回りに起因する脚軸の傾きを吸収するため、継手の円周方向に、２〜３°程度の脚軸の傾きを許容できる大きさとするのが好ましい。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１に記載の等速自在継手において、脚軸の横断面を長軸が継手の軸線に直交する略楕円形としたことを特徴とする。略楕円形とは、字義どおりの楕円に限らず、一般に卵形、小判形等と称される形状を含むものとする。より具体的には、脚軸の横断面形状やリングの内周面形状について請求項３乃至５に記載するような構成を採用することにより、リングとの接触面圧が緩和され、脚軸の強度低下も避けられる。しかも、作動角が所定の角度範囲まではリングを傾かせることなく脚軸が傾くことができるため、ローラが傾くことなく円滑にローラ案内面を転動することができる。従来ローラの傾きを規制する目的で外側継手部材のトラック溝に設けていた鍔を設けないものであるため、外側継手部材の軽量化、加工の簡素化が図れるばかりでなく、ローラと鍔との滑り接触を原因とするスライド抵抗が皆無となる結果、スライド抵抗の一層の減少と誘起スラストの低減が達成される。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項２乃至５のいずれかに記載の等速自在継手において、継手の円周方向において、脚軸の外周面とリングの内周面との間に形成されるすきまを、脚軸の略楕円形横断面の長軸半径をａとしたとき０．００１ａ以上としたことを特徴とする。これにより、トリポード型等速自在継手のトラニオン中心振れ回りに起因する脚軸の傾きを吸収できるため、継手横断面内でのローラアセンブリを傾かせる要因が解消する。
【００１５】
請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の等速自在継手において、リングとローラの間に複数の転動体を配置してリングとローラを相対回転自在としたことを特徴とする。前記転動体としては、たとえば針状ころを使用することができる（請求項９）。
【００１６】
【発明の実施の形態】
まず、図１および図２に示す実施の形態を説明する。ここで、図１（Ａ）は継手の一部を断面にした端面を示し、図２（Ａ）は作動角θをとった状態の継手の縦断面を示す。図示するように、等速自在継手は外側継手部材１０とトリポード部材２０とからなり、連結すべき２軸の一方が外側継手部材１０と接続され、他方がトリポード部材２０と接続される。
【００１７】
外側継手部材１０は内周面に軸方向に延びる３本のトラック溝１２を有する。各トラック溝１２の円周方向で向かい合った側壁にローラ案内面１４が形成されている。トリポード部材２０は半径方向に突設した３本の脚軸２２を有する。脚軸２２はトラニオンとも称する。各脚軸２２はローラ３４を担保し、このローラ３４が外側継手部材１０のトラック溝１２内に収容される。各トラック溝１２の継手円周方向に対向するローラ案内面１４は、外側継手部材１０の軸線に平行な円筒面の一部を構成する。ローラ３４の外周面は脚軸２２の軸線上に曲率中心を置いた部分球面である。したがって、ローラ３４はトラック溝３４内で傾斜可能である。
【００１８】
脚軸２２の外周面に環状のリング３２が外嵌している。このリング３２とローラ３４とは複数の針状ころ３６を介してユニット化され、相対回転可能なローラアセンブリを構成している。すなわち、リング３２の円筒形外周面を内側軌道面とし、ローラ３４の円筒形内周面を外側軌道面として、これらの内外軌道面間に針状ころ３６が転動自在に介在する。図１（Ｂ）に示されるように、針状ころ３６は、できるだけ多くのころを入れた、保持器のない、いわゆる総ころ状態で組み込まれている。符号３３，３５で指してあるのは、針状ころ３６の抜け落ち止めのためにローラ３４の内周面に形成した環状溝に装着した一対のワッシャである。これらのワッシャ３３，３５は、円周方向の一個所で分断されていて（図４（Ｂ）参照）、弾性的に縮径させた状態でローラ３４の内周面の環状溝に装着するようになっている。
【００１９】
脚軸２２の外周面は、縦断面（図１（Ａ）および図２（Ａ））で見ると脚軸２２の軸線と平行なストレート形状であり、横断面（図１（Ｂ））で見ると長軸が継手の軸線に直交する略楕円形状である。脚軸２２の横断面形状は、非負荷側すなわちトリポード部材２０の軸方向で見た肉厚を負荷側に比べて減少させた形状である。言い換えれば、脚軸２２の横断面形状は、トリポード部材２０の軸方向で互いに向き合った面が相互方向に、つまり、仮想円筒面よりも小径側に退避した形状である。
【００２０】
リング３２の内周面は円弧状凸断面を有する。すなわち、内周面の母線が半径ｒの凸円弧である（図１（Ｃ））。このことと、脚軸２２の横断面形状が上述のように略楕円形状であり、脚軸２２とリング３２との間に所定のすきまが設けてあることから、リング３２は脚軸２２の軸方向での移動が可能であるばかりでなく、脚軸２２に対して首振り揺動自在である。また、上述のとおりリング３２とローラ３４は針状ころ３６を介して相対回転自在にユニット化されているため、脚軸２２に対し、リング３２とローラ３４がユニットとして首振り揺動可能な関係にある。ここで、首振りとは、脚軸２２の軸線を含む平面内で、脚軸２２の軸線に対してリング３２およびローラ３４の軸線が傾くことをいう（図２（Ａ）参照）。
【００２１】
図９に示した従来の継手の場合、脚軸５の外周面が全周にわたってリング８の内周面と接するため、接触楕円が図９（Ｃ）に破線で示すように円周方向に延びた横長形状を呈する。そのため、外側継手部材１に対して脚軸５が傾くとき、脚軸５の動きに伴ってリング８を、延いてはローラ７を傾かせるように作用する摩擦モーメントが発生する。これに対し、図１に示した実施の形態では、脚軸２２の横断面が略楕円状で、リング３２の内周面の横断面が円筒形であることから、図１（Ｃ）に破線で示すように、両者の接触楕円は点に近いものとなり、同時に面積も小さくなる。したがって、ローラアセンブリ（３２，３４）を傾かせようとする力が従来のものに比べると非常に低減し、ローラ（３４）の姿勢の安定性が一層向上する。
【００２２】
リング３２は、図３に示すように、中央の円弧部３２ａとその両側の逃げ部３２ｂとの組合せで形成することもできる。逃げ部３２ｂは、図２（Ａ）のように作動角θをとったときの脚軸２２との干渉を避けるための部分であり、円弧部３２ａの端からリング３２の端部に向かって徐々に拡径した直線または曲線で構成する。ここでは、逃げ部３２ｂを円錐角α＝５０°の円錐面の一部とした場合を例示してある。円弧部３２ａは、リング３２に対する脚軸２２の２〜３°程度の傾きを許容するため、たとえば３０ｍｍ程度の大きな曲率半径ｒとする。
【００２３】
トリポード型等速自在継手では、機構上、外側継手部材１０が１回転するときトリポード部材２０は外側継手部材１０の中心に対して３回振れ回る。このとき符号ｅ（図２（Ａ））で表わされる偏心量は作動角θに比例して増加する。そして、３本の脚軸２２は１２０°ずつ離間しているが、作動角θをとると、図２（Ｂ）に示すように、同図の上側に表われている垂直な脚軸２２を基本として考えると、他の２本の脚軸２２は、一点鎖線で示す作動角０のときのそれらの軸線からわずかに傾く。その傾きは作動角θがたとえば約２３°のとき２〜３°程度となる。この傾きがリング３２の内周面の円弧部３２ａの曲率によって無理なく許容されるため、脚軸２２とリング３２との接触部における面圧が過度に高くなるのを防止することができる。なお、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の左側面から見たトリポード部材２０の３本の脚軸２２を模式的に図示したもので、実線が脚軸を表わしている。さらに、かかるトリポード型等速自在継手特有のトラニオン中心の振れ回りに起因する脚軸２２の傾きを吸収し得るすきまを脚軸２２の長軸径２ａとリング３２の内径との間に設ける。このすきまの具体的数値を例示するならば表１のとおりである。
【００２４】
【表１】

【００２５】
この実施の形態では、横断面が略楕円形状の脚軸２２と円形のリング３２とが接触してトルクを伝達することから、面圧の緩和を図る必要がある。この点について図４を参照して説明するならば次のとおりである。なお、図４（Ｂ）において、紙面の上下方向が負荷側であり、左右方向が非負荷側である。
【００２６】
継手が作動角θをとった状態でトルクを伝達するとき、図４（Ａ）に示すように、脚軸２２はリング３２に対して作動角θの範囲内で往復揺動する。このとき、非負荷側については、脚軸２２とリング３２の間に比較的大きなすきまが存在するため、脚軸２２がリング３２と干渉することなく揺動することができる。しかしながら、負荷側については、作動角θが大きくなって脚軸２２の傾きが大きくなるにつれて脚軸２２の見かけの曲率が大きくなり、リング３２の内径よりも大きな曲率になると脚軸２２とリング３２とが２点当たりとなるに至る。すると、それ以後は脚軸のみが自由に傾くことはできず、リング３２を、延いてはローラアセンブリ（３２，３４）を傾かせることとなる。したがって、所定の角度範囲内では、脚軸２２のみがリング３２と干渉することなく傾くことができるように、脚軸２２の横断面形状、とりわけ負荷側の形状を決定する。
【００２７】
具体的には、最大作動角θｍａｘを２５°としたとき、脚軸２２の横断面の略楕円形状の長軸半径ａと短軸半径ｂ（図５参照）ならびにリング内周面の曲率半径ｒ（図１（Ｃ）および図３参照）を次のように設定すると、最大作動角までリング３２が傾かないようにするとともに、脚軸２２とリング３２との間の面圧を最小にすることができる。
ｒ＝１．３６９ａ
ｂ／ａ＝０．７５９
リング内周面の曲率半径ｒの推奨範囲を０．５ｒ〜１．５ｒすなわち０．６８４ａ〜２．０５３ａとするならば、そのときの楕円度ｂ／ａは０．８３６〜０．６４７となる。
【００２８】
上述の設定では、形状的には可能であるが自動車用実使用になると脚軸２２／リング３２間の面圧が高すぎることが懸念される。そのため、自動車用途における常用作動角域で低振動を求められるのであれば、ローラアセンブリ（３２，３４）が傾かない角度を下げれば面圧も下がり使用可能となる。たとえば、常用作動角θを５°を超え１５°未満の範囲とするならば、リング内周面の曲率半径ｒおよび楕円度ｂ／ａの最適値および推奨範囲は表２に示すとおりとなる。
【００２９】
【表２】

【００３０】
上述の実施の形態は、横断面を略円弧形状とした脚軸２２と、内周面を凸円弧断面としたリング３２との組合せを基本としたものであるが、これ以外の組合せを採用することも可能である。たとえば、図６および図７に示すように脚軸２２とリング３２とを線接触させることによって面圧を低くすることができる。図６の実施の形態は、横断面を楕円形状とした脚軸２２に、内周面を円筒形としたリング３２を外嵌させたものである。この場合、両者は軸方向で線接触する関係にある。また、図７の実施の形態は、外周面を円筒形とした脚軸２２に、内周面を凸円弧断面としたリング３２を外嵌させたものである。この場合、両者は円周方向で線接触する関係にある。これらはいずれも、ローラ３４をトラック溝１２内で傾斜可能としたことによって採り得ることとなった構成である。すなわち、脚軸２２がリング３２に対して傾き得る角度が限られているため、継手が作動角をとった状態でトルクを伝達する際にローラアセンブリ（３２，３４）が傾くことになるが、かかる傾きはローラ３４がトラック溝１２内で傾くことによって許容される。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、円周方向に向き合って配置されたローラ案内面を有する３つのトラック溝が形成された外側継手部材と、半径方向に突出した３つの脚軸を備えたトリポード部材と、前記トラック溝に挿入されたローラと、前記脚軸に外嵌して前記ローラを回転自在に支持するリングとを備え、前記ローラが前記ローラ案内面に沿って外側継手部材の軸方向に移動可能な等速自在継手において、前記ローラの外周面を脚軸の軸線上に曲率中心を置いた部分球面とし、かつ、前記ローラ案内面を外側継手部材の軸線と平行な部分円筒面とすることにより、前記ローラが前記トラック溝内で傾斜可能としたものであるため、継手が作動角をとった状態でトルクを伝達する際の脚軸の傾きをローラの傾きによって吸収させることができる。したがって、スライド抵抗の低減ひいては誘起スラストの低減に寄与する。本発明の等速自在継手は、特に自動車のドライブシャフト用に適用すればスライド抵抗や誘起スラストの大きさが関与する自動車のＮＶＨ性能の改善に寄与し得、車両足回り設計の自由度も高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は一部を断面にした等速自在継手の端面図、
（Ｂ）は脚軸に垂直な断面図、
（Ｃ）はリングの断面図である。
【図２】（Ａ）は図１の等速自在継手の縦断面図であって作動角をとった状態を示し、
（Ｂ）は（Ａ）におけるトリポード部材の模式的側面図である。
【図３】リングの拡大断面図である。
【図４】（Ａ）は脚軸とローラアセンブリの関係を示す等速自在継手の縦断面図、
（Ｂ）は脚軸とローラアセンブリの平面図である。
【図５】脚軸の横断面図である。
【図６】（Ａ）は脚軸の軸方向の断面図であって脚軸とローラアセンブリを示し、
（Ｂ）は脚軸に垂直な断面図であって脚軸とリングを示す。
【図７】（Ａ）は脚軸の軸方向の断面図であって脚軸とローラアセンブリを示し、
（Ｂ）は脚軸に垂直な断面図であって脚軸とリングを示す。
【図８】（Ａ）は従来の等速自在継手の横断面図、
（Ｂ）は縦断面図、
（Ｃ）はローラとローラ案内面との相互関係を示す模式的斜視図である。
【図９】（Ａ）は他の従来の等速自在継手の横断面図、
（Ｂ）は脚軸に垂直な断面図、
（Ｃ）はリングの断面図である。
【符号の説明】
１０ 外側継手部材
１２ トラック溝
１４ ローラ案内面
２０ トリポード部材
２２ 脚軸
３２ リング
３２ａ 円弧部
３２ｂ 逃げ部
３４ ローラ
３６ 針状ころ

Claims (8)

1. 円周方向に向き合って配置されたローラ案内面を有する３つのトラック溝が形成された外側継手部材と、半径方向に突出した３つの脚軸を備えたトリポード部材と、前記トラック溝に挿入されたローラと、前記脚軸に外嵌して前記ローラを回転自在に支持するリングとを備え、前記ローラが前記ローラ案内面に沿って外側継手部材の軸方向い移動可能な等速自在継手において、
   前記リングの内周面を円弧状凸断面に形成すると共に、前記脚軸の外周面を、縦断面においてはストレート形状とし、かつ、横断面においては、継手の軸線と直交する方向で前記リングの内周面と接触するとともに継手の軸線方向で前記リングの内周面との間にすきまを形成するようにし、
   前記ローラの外周面を脚軸の軸線上に曲率中心をおいた部分球面とし、かつ、前記ローラ案内面を外側継手部材の軸線と平行な部分円筒面とすることにより、前記ローラが前記トラック溝内で傾斜することを特徴とする等速自在継手。
2. 脚軸の横断面を長軸が継手の軸線に直交する略楕円形としたことを特徴とする請求項１に記載の等速自在継手。
3. 前記脚軸の横断面を長軸が継手の軸線に直交する楕円形とし、長軸半径をａ、短軸半径をｂとしたとき、ｂ／ａを０．６５〜０．９７としたことを特徴とする請求項２に記載の等速自在継手。
4. 前記リングの内周面の母線の中央部を凸円弧とし、その曲率半径を０．７ａ〜１５．５ａとしたことを特徴とする請求項３に記載の等速自在継手。
5. 前記リングの内周面の母線の中央部を凸円弧とし、その曲率半径ｒを２．８ａ〜２．９ａとしたことを特徴とする請求項４に記載の等速自在継手。
6. 継手の円周方向において、脚軸の外周面とリングの内周面との間に、脚軸の略楕円形横断面の長軸半径をａとしたとき少なくとも０．００１ａで表されるすきまを形成したことを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の等速自在継手。
7. リングとローラの間に複数の転動体を配置してリングとローラを相対回転自在としたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の等速自在継手。
8. 前記転動体が針状ころであることを特徴とする請求項７に記載の等速自在継手。

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