JP4242409B2 - 固定型等速自在継手 - Google Patents

Description

本発明は固定型等速自在継手に関し、特に回転バックラッシを嫌う用途に好適な固定型等速自在継手に関する。

等速自在継手は、入出力軸間の角度変位のみを許容する固定型と、角度変位および軸方向変位を許容する摺動型に大別され、それぞれ用途・使用条件等に応じて機種選定される。

固定型等速自在継手としては、ツェッパ型（以下、「ＢＪ」と称する）やアンダーカットフリー型（以下、「ＵＪ」と称する）が広く知られている。

ＢＪおよびＵＪの何れも、内周に複数の曲線状のトラック溝を有する外輪と、外周に複数の曲線状のトラック溝を有する内輪と、外輪および内輪のトラック溝間に組み込まれたボールと、ボールを保持する保持器とで構成される。外輪のトラックセンタは外輪内周の球面中心に対して、また、内輪のトラックセンタは内輪外周の球面中心に対して、それぞれ軸方向に等距離だけ反対側にオフセットされており、これにより外輪のトラック溝と内輪のトラック溝とで構成されるボールトラックは外輪の奥部側または開口側に向けて拡開する楔形となっている。ＢＪは各トラック溝の全域が外輪トラックセンタおよび内輪トラックセンタを中心とする曲線状になっているが、ＵＪでは各トラック溝の一方の端部が軸方向のストレート状になっている。

特開２００３−１３００８２号公報

これらの固定型等速自在継手には、機能上および加工上の要請から外輪トラックと内輪トラックとの間に隙間が存在する。このトラック間の隙間は、継手の中立状態で内輪又は外輪の何れか一方を固定して、固定されていない他方の部材をラジアル方向またはアキシャル方向に移動させたときの移動量をいい、移動させる方向によって、それぞれラジアル隙間またはアキシャル隙間と呼ばれる。

ところで、このトラック間の隙間の大小は、内輪と外輪の間の円周方向のガタツキ（回転バックラッシ）に大きく影響を与える（トラック間のすきまが大きいほど回転バックラッシも大きくなる）。上述のように固定型等速自在継手では、トラック間の隙間が不可欠であり、そのため一定以上の回転バックラッシの発生は避けられないことから、この種の固定型等速自在継手は、例えば自動車のステアリング装置のように回転バックラッシを嫌う用途に一般採用されるまでには至っていない。

本発明は、かかる実情に鑑み創案されたものであって、その目的は、回転バックラッシを嫌う用途での使用に好適な固定型等速自在継手の提供を目的とする。

本発明の固定型等速自在継手は、複数のトラック溝を形成した球状内面を有する外輪と、複数のトラック溝を形成した球状外面を有する内輪と、前記外輪のトラック溝と前記内輪のトラック溝の対により形成される継手の軸線の一方から他方に向かって徐々に縮小した楔形のボールトラックと、各ボールトラックに１個ずつ組み込まれたトルク伝達ボールと、前記トルク伝達ボールを保持するためのポケット、および球面状の内周面を有する保持器とを具備し、前記保持器の球面状の内周面と内輪の球状外面とが隙間をもって嵌合するものであって、前記隙間により生じるアキシャル隙間をトラック間のアキシャル隙間よりも大きくし、前記内輪と保持器の間に、前記内輪の軸心上の接触部を介して軸方向の弾性力を作用させ、この弾性力によって、前記トルク伝達ボールが常に前記外輪のトラック溝および前記内輪のトラック溝に当接していることを特徴とするものである。このような構成を採用することにより回転バックラッシがなくなる。

本発明の固定型等速自在継手を自動車のステアリング装置に使用すれば、回転バックラッシが存在しないため、良好な操舵感を得ることができ、走行中の振動も少なく、操縦安定性が向上する。もちろん、電動パワーステアリング装置をはじめとする各種のパワーステアリングにも同様に適用可能である。さらに、本発明は自動車のドライブシャフトやプロペラシャフト用としても適用可能である。

本発明によれば、簡単な構造でトラック間のアキシャル隙間を詰めることができ、確実に回転バックラッシの発生を防止することができる。従って、ステアリング装置のような回転バックラッシを嫌う用途にもＢＪやＵＪといった固定型等速自在継手を使用することが可能となる。

以下、図１乃至図１３を参照しつつ本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、従来例と同一部位には、同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図１〜図１２は、本発明を固定型等速自在継手の一種であるアンダーカットフリー型（ＵＪ）に適用した場合を例示するものである。

図１に示すように、このタイプの等速自在継手は、複数のトラック溝１ａを形成した球状内面１ｂを備える外方部材としての外輪１と、複数のトラック溝２ａを形成した球状外面２ｂを備える内輪２と、外輪１のトラック溝１ａと内輪２のトラック溝２ａとの協働で形成されるボールトラックに配された複数のボール３と、外輪１の球状内面１ｂと内輪２の球状外面２ｂとの間に配置され、ボール３を収容するためのポケット４ａを円周方向等間隔に有する保持器４とを主要な構成要素とするものである。トラック溝１ａ，２ａは軸方向に延びる曲線状をなし、通常は６本（または8本）がそれぞれ球状内面１ｂおよび球状外面２ｂに形成される。内輪２の内周にセレーションやスプライン等のトルク伝達手段を介してシャフト５を結合することにより、内方部材６が構成される。

この実施形態において、外輪１のトラック溝１ａの溝底が曲面状になった部位の中心（外輪トラックセンタ）Ｏ₁は、外輪１の球状内面１ｂの球面中心に対して、内輪２のトラック溝２ａの溝底が曲線状になった部位の中心（内輪トラックセンタ）Ｏ₂は、内輪２の球状外面２ｂの球面中心に対して、それぞれ軸方向に等距離だけ反対側にオフセットされている。

保持器４の外周面４ｂの球面中心、および保持器外周面４ｂの案内面となる外輪１の球状内面１ｂの球面中心は、何れも継手中心Ｏに一致している。また、保持器４の内周面４ｃの球面中心、および保持器内周面４ｃの案内面となる内輪２の球状外面２ｂの球面中心も同様に継手中心Ｏに一致している。それ故、外輪トラックセンタＯ₁のオフセット量は、外輪トラックセンタＯ₁と継手中心Ｏとの間の距離となり、内輪トラックセンタＯ₂のオフセット量は、内輪トラックセンタＯ₂と継手中心Ｏとの間の軸方向距離となり、両者は等しい。

以上から、一対のトラック溝１ａ，２ａにより外輪１の開口側から奥部側へ縮小する楔状のボールトラックが形成され、このボールトラックに各ボール３が転動可能に組み込まれる。

図１では、保持器４の外周面４ｂおよび内周面４ｃの球面中心を継手中心Ｏに一致させているが、これらの球面中心を継手中心Ｏに対して軸方向のそれぞれ反対側に等距離だけオフセットさせることもできる。

この固定型等速自在継手において、図４に示すように、外輪１と内輪２とが作動角θをとると、保持器４に案内されたボール３が常にどの作動角θにおいても角度θの二等分面（θ／２）内に維持され、継手の等速性が確保される。ＵＪでは、外輪1のトラック溝１ａの一方側（外輪開口側）の端部、および内輪２のトラック溝２ａの他方側（外輪奥部側）の端部にそれぞれ溝底を軸心と平行にしたストレート部１ａ１，２ａ１が形成されているため、作動角θの最大値を５０°程度にとることができ、一般的なＢＪの最大許容作動角（４６°程度）よりも大きくすることができる。

なお、外輪１と内輪２の間でスムーズな回転作動を得るため、保持器４のポケット４ａとボール３の間は円周方向および軸方向のそれぞれで正隙間とする。

図１に示すように、内方部材６を構成するシャフト５の軸端（外輪奥部側）には、押圧部材１０が取り付けられる。図示例の押圧部材１０は、図２に示すように円筒状の胴部１０ａと、これよりも外径側に張り出した頭部１０ｂとを具備しており、シャフト５と同軸に配置した状態で胴部１０ａがシャフト軸端に軸方向へスライド可能に挿入されている。頭部１０ｂとシャフト軸端との間には弾性部材１２としてコイルバネが介装され、この弾性部材１２は押圧部材１０を軸方向の外輪奥部側へ押圧する弾性力の発生源となる。頭部１０ｂの端面は凸球面状に形成され、この凸球面部分が弾性的な押圧力を軸方向に作用させる押圧部１１として機能する。

保持器４の外輪奥部側の端部には、受け部材１４が取り付けられる（図１参照）。この受け部材１４は、保持器４の外輪奥部側の端部開口を覆う蓋状をなし、部分球面状の球面部１４ａとその外周に環状に形成された取付け部１４ｂとで構成される。球面部１４ａの内面（シャフト５と対向する面）は凹球面状で、この凹球面部は押圧部１１からの押圧力を受ける受け部１５として機能する。取付け部１４ｂは、保持器４の端部に圧入、溶接等の適宜の手段で固定されている。

作動角をとった際に、押圧部材１０と受け部材１４をスムーズに摺動させるため、図３に示すように、凹球面状の受け部１５の内径寸法Roは、凸球面状の押圧部１１の外径寸法ｒよりも大きくする（Ro＞ｒ）。また、図４に示すように作動角θをとった際の受け部材１４と内輪２との干渉を防止するため、受け部１５の内径寸法Roは、内輪２の球状外面２ｂの外径寸法Riよりも大きくする（Ro＞Ri）。

押圧部材１０と受け部材１４の間の摩擦抵抗を抑制するため、押圧部材１０の押圧部１１と受け部材１４の受け部１５の何れか一方、または双方には、滑り抵抗を低減させるための表面処理、例えば軟窒化処理を施すのが望ましい。

以上の構成において、シャフト５を内輪２の内周に嵌合し、止め輪１６等で両者を位置決めすると、押圧部材１０の押圧部１１と受け部材１４の受け部１５とが互いに当接し、弾性部材１２が圧縮される。これにより内方部材６（シャフト５および内輪２）と保持器４との間に軸方向の弾性力が作用し、両者間に軸方向の相対移動が生じる。この相対移動によりボール３が保持器４を介してボールトラックの縮小方向に押し込まれるため、トラック間のアキシャル隙間が詰められ、回転バックラッシが防止されるようになる。このように回転バックラッシが防止される結果、この固定型等速自在継手は、回転バックラッシを嫌う用途、例えば図１３に示す自動車のステアリング装置にも使用することが可能となる。

ステアリング装置は、図１３に示すように、ステアリングホイール２１の回転運動を、一または複数のステアリングシャフト２２を介してステアリングギヤに伝達することにより、タイロッド部の往復運動に変換するものである。車載スペース等との兼ね合いでステアリングシャフト２２を一直線に配置できない場合は、ステアリングシャフト２２間に一または複数の自在継手２４を配置し、ステアリングシャフト２２を屈曲させた状態でもステアリングギヤに正確な回転運動を伝達できるようにしている。この自在継手２４に上記固定型等速自在継手を使用することができる。

ところで、固定型等速自在継手においては、加工上および機能上の都合から、上記トラック間のアキシャル隙間とは別に保持器４の外周面４ｂと外輪１の球状内面１ｂとの間、および保持器４の内周面４ｃと内輪２の球状外面２ｂとの間に微小な球面隙間が形成される。この球面隙間により生じるアキシャル隙間のうち、保持器４の内周面４ｃと内輪２の球状外面２ｂとの間のアキシャル隙間がトラック間のアキシャル隙間より小さいと、内輪２に対する保持器４の軸方向の可動域が狭まるため、トラック間のアキシャル隙間を十分に詰めることに限界が生じる。従って、保持器４と内輪２の間のアキシャル隙間は、トラック間のアキシャル隙間よりも大きく設定する必要がある。

図５は、本発明の他の実施形態を示すもので、弾性部材１２としてのコイルバネをシャフト５の軸端に埋め込んだ点が図1に示す実施形態と異なる。この実施形態においては、軸端に円筒状の収容部材１７が埋め込まれており、この収容部材１７の内部に押圧部材１０および弾性部材１２が収容される。収容部材１７の先端は内径側に折り曲げて押圧部材１０を案内する案内部１７ａとしている。この実施形態によっても図１の実施形態と同様にトラック間の隙間を詰めて、回転バックラッシを防止することができる。また、図示は省略するが、押圧部材１０と受け部材１４の間の滑り抵抗を低減させるため、押圧部材１０をボール（球）とし、これを受け部材１４の凹球面で転がすようにすることもできる。

弾性部材１２としては、コイルバネ以外も使用することができる。図６（ａ）（ｂ）は、弾性部材１２として皿ばねを使用したもの、図７（ａ）（ｂ）は、弾性部材１２として樹脂材（ゴム材でもよい）を使用した例である。この他、図示は省略するが弾性部材１２として波ばねを使用することもできる。

なお、図６（ａ）および図７（ａ）は、図１の実施形態と同様に弾性部材１２をシャフト５の軸端外に配置したもの、図６（ｂ）および図７（ｂ）は、図５の実施形態と同様に収容部材１７を使用して弾性部材１２を軸端内に配置したものである。

図８は、図１〜図７の実施形態とは逆に、受け部１５を内方部材６としてのシャフト５に、押圧部１１を保持器４に設けた例である。図８では、凸球面状の受け部１５をシャフト５に一体形成しているが、これを別部材（受け部材）としてシャフト５の軸端に取り付けることもできる。

この実施形態において、押圧部１１を有する押圧部材１０は、図１〜図７に示す受け部材１４と同様に、保持器４の端部開口部を覆う蓋状をなし、保持器４の外輪奥部側の端部に取り付けられる。図９に示すように、押圧部材１０は、部分球面状の球面部１０ｃとその外周に突出した複数（図面では６個）の脚部１０ｄとで構成される。球面部１０ｃの内面（シャフト５と対向する面）は凹球面状をなしており、この凹球面部分が受け部１５に軸方向の弾性力を作用させる押圧部１１として機能する。作動角をとった際の押圧部材１０と内輪２との干渉を防止するため、凹球面状の押圧部１１は、内輪２の球状外面２ｂよりも大径に形成される（図４参照）。

図１０は、押圧部材１０の他の実施形態で、図９に比べ、脚部１０ｄの数を減じる一方で（例えば３個とする）、脚部１０ｄの円周方向幅を増した例である。

図８に示すように、保持器4の外輪奥部側の端部内周には、鍔部４ｄが形成される。この鍔部４ｄに押圧部材１０の脚部１０ｄを係合させることにより、押圧部材１０が保持器４に固定される。これにより、押圧部１１と受け部１５とが当接し、主として脚部１０ｄが弾性変形して弾性力を生じるので（この場合の脚部１０ｄの弾性変形量はδで表される：図９および図１０参照）、図１の実施形態と同様に内方部材６（シャフト５および内輪２）が外輪開口側に、保持器４が外輪奥部側にそれぞれ押圧され、ボール３がボールトラックの縮小側に押し込まれる。従って、トラック間のアキシャル隙間を詰めて回転バックラッシを防止することが可能となる。

このように押圧部材１０自身で弾性力を発生させる他、図１１および図１２に示すように、押圧部材１０の脚部１０ｄと保持器４の鍔部４ｄとの間に軸方向の弾性力を生じる弾性部材１２を介在させてもよい。弾性部材１２としては、例えば皿ばね、波ばね、樹脂材やゴム材を使用することができる。この場合、弾性部材１２の弾性変形に伴って、脚部１０ｄが軸方向に移動するので、脚部１０ｄと保持器４との干渉を回避するため、脚部１０ｄの外径端と保持器４内周との間に半径方向の微小隙間Ｓを形成するのが望ましい。

以上の説明では、固定型等速自在継手として、トラック溝１ａ，２ａの一部にストレート部１ａ１，２ａ１を形成したＵＪを挙げているが、本発明はこれに限らず、このようなストレート部を有しない（トラック溝１ａ，２ａの全域がトラックセンタＯ1，Ｏ2を中心とする曲線状に形成された）ツェッパ型を始め、固定型等速自在継手に広く適用することができる。

押圧部を内方部材に、受け部を保持器に設けた固定型等速自在継手の実施形態を示す断面図である。 図１の実施形態におけるシャフト軸端付近の拡大断面図である。 図１の実施形態における要部拡大断面図である。 作動角をとった固定型等速自在継手の断面図である。 他の実施形態を示す断面図である。 弾性部材の他例を示す拡大断面図で、（ａ）図は弾性部材をシャフト外に配置した場合、（ｂ）図は弾性部材をシャフト内に配置した場合を示す。 弾性部材の他例を示す拡大断面図で、（ａ）図は弾性部材をシャフト外に配置した場合、（ｂ）図は弾性部材をシャフト内に配置した場合を示す。 押圧部を保持器に、受け部を内方部材に設けた固定型等速自在継手の実施形態を示す断面図である。 （ａ）図は保持器に取り付ける弾性部材の断面図（Ｚ−Ｚ断面）、（ｂ）図は同じく正面図である。 （ａ）図は保持器に取り付ける弾性部材の断面図（Ｚ−Ｚ断面）、（ｂ）図は同じく正面図である。 図９、図１０の実施形態において、押圧部材と保持器の間に弾性部材を介在させた実施形態を示す断面図である。 図１１中のＡ部の拡大断面図である。 ステアリング装置の斜視図である。

符号の説明

１ 外方部材（外輪）
１ａ トラック溝
１ａ１ ストレート部
１ｂ 球状内面
２ 内方部材（内輪）
２ａ トラック溝
２ａ１ ストレート部
２ｂ 球状外面
３ ボール
４ 保持器
４ａ ポケット
４ｂ 保持器外周面
４ｃ 保持器内周面
４ｄ 鍔部
５ シャフト
６ 内方部材
１０ 押圧部材
１０ａ 胴部
１０ｂ 頭部
１０ｃ 球面部
１０ｄ 脚部
１１ 押圧部
１２ 弾性部材
１４ 受け部材
１４ａ 球面部
１４ｂ 取付け部
１５ 受け部
１６ 止め輪
１７ 収容部材
１７ａ 案内部
２１ ステアリングホイール
２２ ステアリングシャフト
２４ 自在継手
Ｏ 継手中心
Ｏ₁ 外輪トラックセンタ
Ｏ₂ 内輪トラックセンタ
ｒ 外径寸法
Ｒｉ 外径寸法
Ｒｏ 内径寸法
Ｓ 微小隙間
θ 作動角

Claims (6)

1. 複数のトラック溝を形成した球状内面を有する外輪と、
   複数のトラック溝を形成した球状外面を有する内輪と、
   前記外輪のトラック溝と前記内輪のトラック溝の対により形成される継手の軸線の一方から他方に向かって徐々に縮小した楔形のボールトラックと、
   各ボールトラックに１個ずつ組み込まれたトルク伝達ボールと、
   前記トルク伝達ボールを保持するためのポケット、および球面状の内周面を有する保持器と
   を具備し、前記保持器の球面状の内周面と内輪の球状外面とが隙間をもって嵌合するものであって、前記隙間により生じるアキシャル隙間をトラック間のアキシャル隙間よりも大きくし、前記内輪と保持器の間に、前記内輪の軸心上の接触部を介して軸方向の弾性力を作用させ、この弾性力によって、前記トルク伝達ボールが常に前記外輪のトラック溝および前記内輪のトラック溝に当接していることを特徴とする固定型等速自在継手。
2. 前記保持器を介して前記トルク伝達ボールを前記ボールトラックの縮小側に向けて押す手段を設けたことを特徴とする請求項１の固定型等速自在継手。
3. 前記押す手段が弾性体であることを特徴とする請求項１または２の固定型等速自在継手。
4. ドライブシャフト用であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項の固定型等速自在継手。
5. プロペラシャフト用であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項の固定型等速自在継手。
6. ステアリング装置用であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項の固定型等速自在継手。

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