JP4133415B2 - 固定型等速自在継手 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明の固定型等速自在継手は、駆動側の回転軸と従動側の回転軸とを連結し、両軸が角度をなした状態でも等角速度でトルクを伝達することができるもので、プランジングを行わず角度変位のみ可能であり、自動車や各種産業機械において利用される。
【0002】
【従来の技術】
自動車のドライブシャフトの連結構造は車両懸架方式によって異なるが、たとえば独立懸架方式を採用している車両ではデファレンシャル(終減速装置)が車体側に取り付けられ、ドライブシャフトの両端をそれぞれ自在継手を介してデファレンシャルとアクスル(車軸)に連結している。そして、サスペンションの動きに追随したドライブシャフトの変位を可能にするため、車輪側の連結部ではドライブシャフトの角度変位を許容し、車体側の連結部ではドライブシャフトの角度変位および軸方向変位を許容する構造にしている。
【0003】
上記の自在継手としては、現在、等速自在継手が多く使用されており、車輪側の連結部はゼッパ型などの二軸間の角度変位のみを許容する固定型等速自在継手を使用し、車体側の連結部はダブルオフセット型、トリポード型、クロスグループ型などの二軸間の角度変位および軸方向変位を許容するスライド型等速自在継手を使用している。
【0004】
図9に示す固定型等速自在継手は、球面状の内周面1aに6本の曲線状の案内溝1bを軸方向に形成した外側継手部材1と、球面状の外周面2aに6本の曲線状の案内溝2bを軸方向に形成し、スプライン(またはセレーション)孔2cを有する内側継手部材2と、外側継手部材1の案内溝1bと内側継手部材2の案内溝2bとが協働して形成される6本のボールトラックに1個ずつ配されたトルク伝達ボール3と、トルク伝達ボール3を保持する保持器4とで構成される。
【0005】
外側継手部材1の内周面1aの曲率中心、内側継手部材2の外周面2aの曲率中心は、いずれも、継手中心Oと一致している。外側継手部材1の案内溝1bの曲率中心Aと内側継手部材2の案内溝2bの曲率中心Bは、継手中心Oを挟んで、軸方向に等距離だけ反対側に(同図に示す例では中心Aは継手の開口側に、中心Bは継手の奥部側に)オフセットしている。そのため、案内溝1b,2bが協働して形成されるボールトラックは、軸方向の一方(同図に示す例では継手の開口側)に向かって開いた楔形状となっている。
【0006】
図9(a)に示すように二軸が角度変位しない場合すなわち二軸の回転軸線が一直線となった状態では、すべてのトルク伝達ボール3の中心が継手中心Oを含み回転軸線に垂直な平面内にある。外側継手部材1と内側継手部材2とが角度θだけ角度変位すると、保持器4によってトルク伝達ボール3が、角度θを二等分する平面内に配向せしめられ、これにより継手の等速性が確保される。
【0007】
本出願人は、図9のように6個のトルク伝達ボールを備えた固定型等速自在継手と同等以上の強度、負荷容量および耐久性を確保しつつ、より一層のコンパクト化、軽量化を実現するために、8個のトルク伝達ボールを備えた固定型等速自在継手を既に提案している。
【0008】
【特許文献1】
特開平10−103365号公報(図1)
【特許文献2】
特開2001−330051号公報(図1、図2)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
固定型等速自在継手の高角時の主な損傷状況の一つに外側継手部材および内側継手部材の球面エッジ食い込みによる、保持器柱部せん断破壊というモードがある。図3は、固定型等速自在継手の損傷モードを説明するため、最大作動角をとったとき最も外側に位置するトルク伝達ボール付近を拡大した断面図である。同図から理解できるように、外側継手部材、内側継手部材の球面エッジ部接触点(荷重点)が、保持器軸方向に、より大きく離れる方向へオフセットすると、保持器柱部のせん断応力が増加し、過大なモーメント荷重がかかり、保持器強度が著しく低下する。
【0010】
本発明の目的は、固定型等速自在継手において、かかる保持器柱部のせん断応力を緩和し、保持器強度を確保することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、外側継手部材、内側継手部材の球面エッジ部接触点(荷重点)の軸方向オフセット量を最適値に設定することにより、保持器柱部のせん断応力を緩和して保持器強度を確保するようにしたものである。
【0012】
すなわち、請求項1に記載の固定型等速自在継手は、球面状の内周面12に軸方向に延びる案内溝14を形成した外側継手部材10と、球面状の外周面22に軸方向に延びる案内溝24を形成した内側継手部材20と、外側継手部材10の案内溝14と内側継手部材20の案内溝24とが協働して形成されるボールトラックに1個ずつ配されたトルク伝達ボール30と、トルク伝達ボール30を保持する保持器40とを備え、最大作動角をとった時の、保持器40の外周面と外側継手部材10の内周面エッジ部との接触点Aおよび保持器40の内周面と内側継手部材20の外周面エッジ部との接触点Bを結ぶ直線と保持器中心線とのなす角度αを10度以下としたことを特徴とする。
【0013】
請求項2の固定型等速自在継手は、請求項1に記載の固定型等速自在継手において、外側継手部材10の案内溝14および内側継手部材20の案内溝24をそれぞれ8本としたことを特徴とするものである。
【0014】
請求項3の固定型等速自在継手は、請求項1または2に記載の固定型等速自在継手において、外側継手部材10の案内溝14および内側継手部材20の案内溝24に直線状の溝底を有するストレート部U1,U2を設けたことを特徴とするものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。まず、図5〜図7に従って固定型等速自在継手の基本構造について述べる。
【0016】
図5および図6に示す実施の形態では、固定型等速自在継手は、外側継手部材10と、内側継手部材20と、トルク伝達ボール30と、保持器40とを主要な構成要素としている。
【0017】
外側継手部材10は、軸方向の一端にて開口したカップ状で、球面状の内周面12を有し、内周面12の円周方向八等分位置(図6)に円弧状(図5)の案内溝14を形成してある。図5に案内溝14の曲率中心をO1で示してある。なお、図5では外側継手部材10と一体的に軸部16を形成した場合を例示してある。
【0018】
内側継手部材20は球面状の外周面22を有し、その円周方向八等分位置(図6)に円弧状(図5)の案内溝24を形成してある。図5に案内溝24の曲率中心をO2で示してある。図5では、内側継手部材20がスプライン孔26を有し、スプライン孔26にて軸5のスプライン軸と嵌合している場合を例示してある。
【0019】
外側継手部材10の案内溝14と内側継手部材20の案内溝24とは対をなし、合計8本のボールトラックを形成する。そして、これらのボールトラックに1個ずつトルク伝達ボール30を配置してある。図5にトルク伝達ボール30の中心をO3で示してある。
【0020】
トルク伝達ボール30は保持器40によって保持される。保持器40は球面状の外周面42と球面状の内周面44を有し、外周面42は外側継手部材10の内周面12と球面嵌合し、内周面44は内側継手部材20の外周面22と球面嵌合する。保持器40の外周面42の曲率中心、および、保持器40の外周面42の案内面となる外側継手部材10の内周面12の曲率中心は、いずれも、継手中心Oと一致している。また、保持器40の内周面44の曲率中心、および、保持器40の内周面44の案内面となる内側継手部材20の外周面22の曲率中心も、継手中心Oと一致している。
【0021】
この実施の形態において、外側継手部材10の案内溝14の曲率中心O1と内側継手部材20の案内溝24の曲率中心O2は、継手中心Oを挟んで軸方向に等距離Fだけ反対側(同図に示す例では、中心O1は継手の開口側、中心O2は継手の奥部側)にオフセットしている。言い換えれば、案内溝14の曲率中心O1のオフセット量Fは曲率中心O1と継手中心Oとの間の軸方向距離、案内溝24の曲率中心O2のオフセット量Fは曲率中心O2と継手中心Oとの間の軸方向距離になり、両者は相等しい。したがって、案内溝14,24が協働して形成されるボールトラックは、軸方向の一方(図示の実施の形態では継手の開口側)に向かって開いた楔形状を呈している。
【0022】
外側継手部材10の案内溝14の曲率中心O1とトルク伝達ボール30の中心O3とを結ぶ線分の長さ、内側継手部材20の案内溝24の曲率中心O2とトルク伝達ボール30の中心O3とを結ぶ線分の長さは互いに等しく、図5に符号PCRで示してある。外側継手部材10と内側継手部材20とが角度θだけ角度変位すると、保持器40によってトルク伝達ボール30が、角度θを二等分する平面内に配向せしめられ、これにより継手の等速性が確保される。
【0023】
この実施の形態の等速自在継手は、トルク伝達ボール30の数が8であり、従来継手(6個ボールの固定型等速自在継手。以下同じ。)に比べ、継手の全負荷容量に占めるトルク伝達ボール1個当たりの負荷割合が少ないので、同じ呼び寸法の従来継手に対して、トルク伝達ボール30の直径を小さくし、外側継手部材10の肉厚および内側継手部材20の肉厚を従来継手と同程度に確保することが可能である。また、同じ呼び寸法の従来継手に対して、同等以上の強度、負荷容量および耐久性を確保しつつ、外径寸法の一層のコンパクト化を図ることができる。さらに、従来継手に比べて低発熱であることが実験の結果確認されている。
【0024】
図7に示す実施の形態は、外側継手部材10aの案内溝14aおよび内側継手部材20aの案内溝24aにそれぞれ直線状の溝底を有するストレート部U1,U2を設けたもので、その他は上述の図5および図6の実施の形態と同じである。この実施の形態の等速自在継手は、ストレート部U1,U2を設けたことにより、図5および図6の実施の形態に比べて最大作動角を大きくすることができる。
【0025】
次に、本発明の実施の形態を図1および図2に従って説明する。図1(a)は、図5および図6に示した実施の形態の固定型等速自在継手が最大作動角(θmax)をとった状態を示す。図2(a)は図7に示した実施の形態の固定型等速自在継手が最大作動角(θmax)をとった状態を示す。図1(a)および図2(a)から理解できるように、外側継手部材10,10aと保持器40との接触点Aと、内側継手部材20,20aと保持器40との接触点Bの、保持器軸方向におけるオフセット量を決定する要因としては、接触点Aと接触点Bがあり、接触点A,B同士の保持器軸方向オフセット量を小さくするには、外側継手部材10,10aのインロー径φCを小さくするか、内側継手部材20,20aの幅Dを大きくすることが考えられる。しかし、保持器40の組込み性確保のため、インロー径φCを縮小することには限界がある。そこで、内側継手部材20,20aの幅Dを大きくすることについて検討する。
【0026】
なお、従来の固定型等速自在継手の内側継手部材の幅規定は、軽量化、低コスト化(投入重量減)を考慮し、高角時にトルク伝達ボールの接触楕円がはみ出さない最小値に設定されている。従来品について角度αを測定してみると、19度から34度程度まで幅があった。
【0027】
図4は、既述の図3と実質的に同じ図であるが、二点鎖線で示すように内側継手部材を軸方向に延長して、外側継手部材の球面エッジ部と内側継手部材の球面エッジ部とを近接させることにより、保持器柱部に作用するせん断応力を緩和させることができることを示している。また、点A,Bの保持器軸方向のオフセット量を、点Aと点Bとを結ぶ直線と保持器中心線とのなす角度αで規定すると、角度αを小さくすることにより保持器柱部のせん断応力が小さくなることがわかる。言い換えるならば、角度αが0、つまり、点Aと点Bを結ぶ直線と保持器中心線とが平行となる場合に保持器柱部のせん断応力は最も小さくなる。
【0028】
角度αは内側継手部材20,20aの幅Dによって決まる。すなわち、角度αを小さくするためには、図1(b)および図2(b)に破線で示すように幅Dを大きく設定すればよい。しかしながら、幅Dを大きくすると、内側継手部材20,20aの重量増につながること、および、E部(図1(b))、F部(図2(b))がシャープエッジとなることから、内側継手部材20,20aの形状を最適に保ち、かつ、保持器柱部のせん断応力を緩和する角度αの最適値を求める必要がある。
【0029】
α=10度のサンプルを試作して実験したところ、従来品に比べて高角時の保持器強度が5%〜14%向上したことが確認された。このときの角度αに対する強度の関係を図示すると図8のとおりである。実際の設計では内側継手部材20,20aの幅寸法Dが丸められるため、αの値は整数になるとは限らない。図7のタイプの実施品の場合、αはサイズにより異なるが8.2度〜9.7度程度であった。図5のタイプの場合、接触点A,Bの位置関係が図示とは逆転してαがマイナスになる場合もありえる。以上より、角度αは好ましくは10度以下、より好ましくは10度以下8度以上の範囲とするのがよい。
【0030】
なお、8個ボールタイプの固定型等速自在継手に適用した場合を例にとって説明したが、本発明は従来の6個ボールタイプのものにも同様の効果をもって適用することができる。
【0031】
本発明によれば、固定型等速自在継手が最大作動角をとった時の、保持器の外周面と外側継手部材の内周面エッジ部との接触点および保持器の内周面と内側継手部材の外周面エッジ部との接触点を結ぶ直線と保持器中心線とのなす角度を10度以下としたことにより、保持器柱部のせん断応力を緩和し、保持器強度を確保した固定型等速自在継手を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】aは最大作動角時の固定型等速自在継手の断面図、
bは内側継手部材の断面図である。
【図2】aは最大作動角時の固定型等速自在継手の断面図、
bは内側継手部材の断面図である。
【図3】最大作動角をとったとき最も外側に位置するトルク伝達ボール付近を拡大した固定型等速自在継手の断面図である。
【図4】内側継手部材エッジ位置とせん断応力の関係を説明するための図3と類似の断面図である。
【図5】固定型等速自在継手の縦断面図である。
【図6】図5の固定型等速自在継手の横断面図である。
【図7】固定型等速自在継手の縦断面図である。
【図8】角度αと保持器強度との関係を示す線図である。
【図9】aは従来の技術を示す固定型等速自在継手の縦断面図、
bは横断面図である。
【符号の説明】
10,10a 外側継手部材
12 内周面
14,14a 案内溝
U1 直線部
20,20a 内側継手部材
22 外周面
24,24a 案内溝
U2 直線部
26 スプライン孔
30 トルク伝達ボール
40 保持器
Claims (3)
- 球面状の内周面に軸方向に延びる案内溝を形成した外側継手部材と、球面状の外周面に軸方向に延びる案内溝を形成した内側継手部材と、外側継手部材の案内溝と内側継手部材の案内溝とが協働して形成されるボールトラックに1個ずつ配されたトルク伝達ボールと、トルク伝達ボールを保持する保持器とを備え、最大作動角をとった時の、保持器の外周面と外側継手部材の内周面エッジ部との接触点および保持器の内周面と内側継手部材の外周面エッジ部との接触点を結ぶ直線と保持器中心線とのなす角度を10度以下としたことを特徴とする固定型等速自在継手。
- 外側継手部材の案内溝および内側継手部材の案内溝をそれぞれ8本としたことを特徴とする請求項1に記載の固定型等速自在継手。
- 外側継手部材の案内溝および内側継手部材の案内溝に直線状の溝底を有するストレート部を設けたことを特徴とする請求項1または2に記載の固定型等速自在継手。
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