JP4537304B2 - 固定式等速自在継手 - Google Patents

Description

本発明の固定式等速自在継手は、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伝達可能にしたもので、プランジングを行わず角度変位のみが可能であり、自動車をはじめ各種産業機械の動力伝達用の固定式等速自在継手として利用される。

自動車のドライブシャフトのアクスル連結部や、ステアリングシャフトのシャフト折曲げ連結部には、固定式等速自在継手が一般に使用される。この固定式等速自在継手として、従来、ゼッパ型等速自在継手やアンダーカットフリー型（以下ＵＪ型という）等速自在継手が知られている。ゼッパ型の特徴は、外側継手部材の案内溝のボール中心軌跡と内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡が、それぞれ、継手中心から輪方向に等距離離れた点を中心とする二つの球の子午線となっていることである。（特許文献１参照）。

これに対してＵＪ型等速自在継手は、ゼッパ型等速自在継手よりも高作動角とするために発明されたもので、外側継手部材の案内溝のボール中心軌跡が、上記ゼッパ型の子午線の円弧のうち、継手中心を通る軸直角断面より外側継手部材の開口側の部分が継手軸と平行な直線となっている。（特許文献２参照）

ゼッパにより発明されたゼッパ型等速自在継手は、最初は、外側継手部材の案内溝のボール中心軌跡と、内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡が、ともに継手中心に中心を持つ同一円弧であった。（特許文献３参照）。その自在継手は、作動角０°における保持器の回転位置が一定に定まらないという欠点があり、それを補うために、内側継手部材と外側継手部材の間に保持器の位置を制御するための別部品を追加していた（特許文献４のＦｉｇ．１、Ｆｉｇ．２のパイロットピンＫを参照）。

その後改良されたゼッパ型等速自在継手は、いわゆるダブルオフセット型と呼ばれるもので、図５（Ａ）および図６のように、外側継手部材１と内側継手部材２の二つの案内溝１ｂ，２ｂのボール中心軌跡Ｃ１，Ｃ２を、継手中心Ｏから継手軸線方向反対方向にそれぞれ等距離だけ離れた点Ａ，Ｂを中心とする同じ半径Ｒの円にしたものである。詳しくは図５に示すように、ダブルオフセット型等速自在継手は、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。保持器４の内外周面は、内外継手部材の球面状内周面１ａと球面状外周面２ａに接する球面で構成される

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、軸方向の一方に向かって開いた楔形状となっている。

図５（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α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α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。

このダブルオフセット型等速自在継手においては、継手を高作動角で回転させる場合、ボール３が外側継手部材１の案内溝１ｂから外側にはみ出すと、ボール３が保持器４の窓から半径方向外方に飛出すのを防止することができない。このため、従来のダブルオフセット型等速自在継手では、ボール３は必ず外側継手部材１の案内溝１ｂの中に収めておく必要があり、これにより継手の限界作動角が抑えられ、せいぜい４８°程度が限界であった。

一方、ＵＪ型等速自在継手は、ゼッパ型等速自在継手の作動角をさらに拡大するために発明されたもので、ボールが外側継手部材の案内溝から外れる位置を延長するために、外側継手部材の案内溝のボール中心軌跡を、外側継手部材入りロ部のみ、円弧状から直線状に変更した。しかし、ＵＪ型等速自在継手でも限界作動角は５２°程度であった。

継手の作動角をさらに大きく、例えば６０°程度にするには、ボールを外側継手部材の案内溝から外側に出さざるを得ない。そのとき、保持器のボール案内面が平面であると、ボールが保持器の窓から外側に脱落してしまい、等速自在継手はその機能を失う。
米国特許第２０４６５８４号公報 特開昭５３−６５５４７号公報 米国特許第１６６５２８０号公報 米国特許第２０１０８９９号公報

本発明の目的は、ボールを脱落させることなく外側継手部材の外側に出すことにより、従来以上の高作動角を実現可能な固定式等速自在継手を提供することにある。

前記課題を解決するため、請求項１の発明は、球面状の内周面に軸方向に延びる複数の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複数の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する複数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と、トルク伝達ボールを窓内に収容して保持する保持器とを備え、外側継手部材の隣り合う案内溝のボール中心軌跡を継手中心軸に対して交互に逆の勾配を持つ傾斜直線にするとともに、内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡を、その中間部は継手中心の軸直角断面で前記外側継手部材の傾斜直線に逆勾配で対称的に交差する傾斜直線部とし、両端部は継手中心を中心とする円弧であって前記傾斜直線部の両端から所定長で延在する円弧部とし、かつ、前記保持器の外径側窓開き寸法を前記ボールの径よりも狭め、前記外側継手部材に対して前記内側継手部材が作動角を成して前記ボールの一つが前記外側継手部材の案内溝の開口側端部まで移動した状態で、当該ボールの中心が、内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡における前記傾斜直線部と円弧部の境目まで移動するようにしたことを特徴とする。

この発明の等速自在継手は、大きな作動角を取ったときでも、内側継手部材のボール中心軌跡の円弧部が継手中心を中心とする円弧であるため、ボールが外側継手部材の案内溝から外れてもその中心位置が継手中心から離れていかない。このため、外側継手部材の案内溝を開口側に長く延在させる必要がなく、従って内側継手部材に連結するシャフトが外側継手部材に干渉する作動角を高角化することができる。また、５０°を越えて６０°に近づく高作動角では一部のボールが外側継手部材の案内溝から外側に出ることになるが、保持器外径側の窓開き寸法をボールの径よりも狭めたので、外側継手部材の外側であってもボールを保持器で内側継手部材のボール中心軌跡である円弧部と対応する案内溝側に抱え込んでおくことができ、ボールが保持器から脱落するのを防止できる。

また、外側継手部材の隣り合う案内溝のボール中心軌跡を継手中心軸に対して交互に逆の勾配を持つ傾斜直線にしたことにより、継手がトルクを伝達する際、継手内部の力関係のうち特に保持器がボールから受ける力をポケットの隣り同士で逆向きにして互いに打ち消すことができ、すべての案内溝が同じ勾配の継手に比べてより応力バランスの取れたものとなり保持器に発生する最大応力を低減することができる。

さらに、内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡の中間部を、継手中心の軸直角断面で外側継手部材の傾斜直線に対して逆勾配で対称的に交差する傾斜直線部としたから、ボールが前記交差部分にある間は継手によるトルク伝達が可能であり、かつ、継手作動角０°では保持器を継手中心の軸直角断面内に保持することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記保持器の外径側窓開き寸法を、保持器と別体の別部材によって前記ボールの径よりも狭めたことを特徴とする。

外径側窓開き寸法を保持器と別体の部材によって狭めることで、窓へのボールの挿入を保持器外径側から行ない、別部材は後工程で装着することが可能となって作業性が向上する。

請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡の円弧部に対応する部分を、内側継手部材本体とは別部材で構成したことを特徴とする。

ボール中心軌跡の傾斜直線部に対応する部分を内側継手部材の本体に形成し、円弧部に対応する部分を別部材として形成することにより、案内溝の加工が前者は直線状、後者は円弧状に単純化することができ、両方とも汎用の旋盤とミーリング機で簡単に機械加工することができる。また、内側継手部材を冷間鍛造する場合でも鍛造型の製作が容易である。

請求項４の発明は、請求項１から３の発明において、継手開口側の保持器の内径面を円筒面にするとともに、この円筒面に内側継手部材の球面状外周面を摺接案内するための案内リングと、案内リングの抜止め用の留め輪を装着したことを特徴とする。

保持器のボール案内面を外径側で内側に狭めた場合、継手の組付時に保持器外径側から窓内にボールを挿入することができない。ボールは保持器内径側から窓内に挿入することになるが、そうすると、内側継手部材を継手開口側から軸線方向で保持器に挿入しなければならないから、継手開口側の保持器の内径面は円筒面にしておく必要がある。この円筒面は、そのままにしておくと内側継手部材の抜止めにならないから、案内リングと止め輪で内側継手部材を抜止めする。

本発明の固定式等速自在継手は、高作動角を取ったときでもボールの中心位置が継手中心から離れていかないので、外側継手部材の案内溝を開口側に長く延在させる必要がなく、従って内側継手部材に連結するシャフトが外側継手部材に干渉する作動角を高角化することができる。また、例えば５０°を越えて６０°に近づく高作動角で一部のボールが外側継手部材の案内溝から外側に出た場合でも、ボールを内側継手部材の案内溝側に保持器で抱え込んでおくことができ、ボールが保持器から脱落することがない。

本発明では外側継手部材の案内溝のボール中心軌跡すなわち溝底形状を、継手の中心軸に対し勾配を持つ直線で構成したので、当該案内溝を汎用の旋盤とミーリング機で容易に製作可能であり、冷間鍛造する場合でも鍛造型の製作が容易である。したがって、曲線の案内溝を有する等速自在継手に比べて外側継手部材を低コストで製作することができる。

また、内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡の円弧部に対応する部分を別部材で構成する場合は、この部分がトルク伝達では無効な部分であるから別部材のみ例えば冷間鍛造にて安価に形成することができ、傾斜直線部に対応する部分のみ汎用の旋盤とミーリング機あるいは研削盤で高精度に仕上げればよいから加工が容易である。

また、外側継手部材の隣り合う案内溝のボール中心軌跡を継手中心軸に対して交互に逆の勾配を持つ傾斜直線にしたので、トルク伝達の際に保持器がボールから受ける力をポケットの隣り同士で逆向きにして互いに打ち消すことができ、保持器に発生する最大応力を減らすことができる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１（Ａ）（Ｂ）は本発明の固定式等速自在継手を示したものであって、（Ａ）が作動角０°、（Ｂ）が限界作動角の状態を示す。この等速自在継手の構成部材は、外側継手部材が両側開口型であること、外側継手部材と内側継手部材の案内溝の形状が異なること以外は、基本的に図５の等速自在継手と同様である。したがって、図５と対応する部分に同一符号を付すことにより重複した説明を省略する。なお、本発明は外側継手部材が椀状で片側開口型の固定式等速自在継手にも適用可能である。

この等速自在継手の特徴は、外側継手部材１と内側継手部材２の二つの案内溝１ｂ，２ｂのボール中心軌跡Ｃ１，Ｃ２にある。図１（Ａ）（Ｂ）、図２のように、外側継手部材１の隣り合う案内溝１ｂのボール中心軌跡Ｃ１は、継手中心軸に対して交互に逆の勾配θを持つ傾斜直線Ｃ１とされる。図１（Ａ）（Ｂ）で上側のボール中心軌跡が右下がりの傾斜直線Ｃ１、下側のボール中心軌跡も右下がりの傾斜直線Ｃ１である。案内溝１ｂの数ないしトルク伝達ボールの個数は、この実施形態では８とする。図１（Ａ）（Ｂ）に現れていない６つの案内溝１ｂの勾配も、周方向に交互に逆の勾配で形成される。

内側継手部材２の案内溝２ｂのボール中心軌跡Ｃ２は、継手中心Ｏの軸直角断面Ｖを横切る傾斜直線部Ｃ２ａと、この傾斜直線部Ｃ２ａの両端から所定長延在する円弧部Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃで構成される。傾斜直線部Ｃ２ａは、継手中心の軸直角断面で外側継手部材１の傾斜直線Ｃ１に逆勾配で左右対称形に交差する。円弧部Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃはいずれも継手中心Ｏを中心とする半径Ｒの円弧である。ここで、継手中心Ｏは、図１（Ａ）に示す作動角０°で継手の中心軸と保持器４の窓４ｂの中心線とが交わる交点である。

案内溝１ｂ，２ｂは継手内部の応力バランスをとるために偶数で配設するのを基本とする。特殊な設計では案内溝１ｂ，２ｂを奇数で配設することもあり得る。本実施例では案内溝１ｂ，２ｂを８本形成するが、６本あるいはそれ以外の数で形成してもよい。ボール中心軌跡Ｃ１，Ｃ２の勾配の程度、すなわち案内溝１ｂ，２ｂの溝底の勾配の程度は、継手の限界作動角などの設計条件に依存する。一般的には限界作動角が大きいほど勾配を小さくする。

ボール中心軌跡Ｃ１、Ｃ２を合成したものが図３（Ａ）（Ｂ）である。これから分かるように、継手作動角０°において、傾斜直線部Ｃ１とＣ２ａは継手中心の軸直角断面Ｖで交差する。傾斜直線Ｃ１の中央部分と傾斜直線部Ｃ２ａは、傾斜ないし勾配に関して、継手作動角０°において軸直角断面Ｖに関して鏡像対称の関係にある。

保持器４は、図２のように、継手中心Ｏを中心とする半径Ｒ_１とＲ_２の球面状内周面４ｃと外周面４ｄを有する。これら内周面４ｃおよび外周面４ｄは、内側継手部材２の外周面２ａおよび外側継手部材１の内周面１ａと摺接する。保持器４の一端側の内径面は、内側継手部材２との組付け上の理由から、必要に応じて、図４のようにしてもよい。図４では、保持器４の一端側の内径面を所定幅にわたって内径一定の円筒面とし、この円筒面に形成した溝部４ａに止め輪５（サークリップ）を嵌合する。この止め輪５の内側であって保持器４の窓４ｂまでの間にできた奥狭まりの環状楔空間に、案内リング６を嵌合する。この案内リング６は、その内周面が内側継手部材２の球面状外周面２ａに嵌合し、外周面が保持器４の球状内周面４ｃに嵌合する。また、案内リング６の外端は止め輪５の内面に当接する。案内リング６の内端とボール３との間には一定の隙間が確保される。このように構成することにより、内側継手部材２を保持器４内に同軸方向で装入できる。なお、内側継手部材２は一般的には保持器４に対して軸を直角にして装入される。

保持器４の窓４ｂのボール案内面は、図２および図４のように、外径側が幅狭になっている。すなわち、ボール案内面の内径側は、ボール径と等しい間隔を明けて互いに平行直線状４ｂ１であるが、ボール案内面の外径側はボール径よりもやや狭い間隔となるように先すぼまりとなっている。この先すぼまりの部分は、傾斜した直線で構成してもよいが、ボール３との当り面圧を下げるために、ボール３の外周曲率に符合した凹円弧状４ｂ２にするのがよい。

本発明に係る固定式等速自在継手は以上のように構成され、大きな作動角を取ったときでも、内側継手部材２のボール中心軌跡である円弧部Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃが継手中心Ｏを中心とする一定半径Ｒの円弧であるため、ボール３の中心位置が継手中心から離れていかない。このため、外側継手部材１の案内溝１ｂを両側開口側に長く延在させる必要がなく、従って内側継手部材２に連結するシャフト７が外側継手部材１に干渉する作動角を高角化することができる。

また、例えば５０°を越えて６０°に近づく高作動角では一部のボール３が外側継手部材１の案内溝１ｂから外側に出ることになるが、保持器４外径側のボール案内面の対向間隔をボール径よりも狭くしておくことにより、外側継手部材１の外側であってもボール３を保持器４で内側継手部材２のボール中心軌跡Ｃ２である円弧部Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃに対応する案内溝２ｂ側に抱え込んでおくことができ、ボール３が保持器４から脱落するのを防止できる。

詳しくは、外側継手部材１に対して内側継手部材２が作動角を成してボール３が外側継手部材１の案内溝１ｂの両側開口に向って移動すると、例えば図３（Ｂ）に示すように、このボール３の中心は外側継手部材１の案内溝１ｂに沿いながら、内側継手部材２の案内溝２ｂのボール中心軌跡Ｃ２における傾斜直線部Ｃ２ａと円弧部Ｃ２ｂの境目まで移動する（点ｄ）。この状態は、点ｄに位置するボール３がトルクを伝達することが可能な限界である。内側継手部材２がさらに傾斜すると、図１（Ｂ）のようにボール３が外側継手部材１の案内溝１ｂから外れ、同時にボール３が一方では窓４ｂの凹円弧状４ｂ２によって飛出しを拘束され、他方では内側継手部材２の案内溝２ｂの円弧部によって継手中心Ｏから等距離で支持される。ボール３を支持する内側継手部材２の案内溝２ｂの円弧部は、図３（Ｂ）のボール中心軌跡Ｃ２の円弧部Ｃ２ｂ（Ｃ２ｃ）に対応する部分である。図１（Ｂ）に示す２つのボール３はまったく継手のトルク伝達に関与しないが、図に現れていない他のボールのいくつかは、ボール中心軌跡の傾斜直線Ｃ１と傾斜直線部Ｃ２ａの交点に依然位置して不十分ではあるがトルク伝達に関与する。これにより、図１（Ｂ）の状態でも保持器４の傾きはシャフトの作動角の二分の一に制御される。

一方、図３（Ａ）のように作動角０°の状態では、外側継手部材１と内側継手部材２の二つの案内溝１ｂ、２ｂのボール中心軌跡の傾斜直線Ｃ１と傾斜直線部Ｃ２ａが、継手中心の軸直角断面Ｖでそれぞれの中間部を交差させる。このためボール３が前記交差部分すなわち継手中心Ｏの軸直角断面Ｖ内に保持される。このようなボール３の定位置保持によって、保持器４の球状内周面４ｃと球状外周面４ｄがともに継手中心Ｏを中心とするにもかかわらず、継手作動角０°において、保持器４を継手中心Ｏの軸直角断面Ｖ内に保持することができる。

（Ａ）（Ｂ）は本発明に係る固定式等速自在継手の断面図。 図１（Ａ）の要部拡大図。 （Ａ）は作動角０°におけるボール中心軌跡図、（Ｂ）は限界作動角におけるボール中心軌跡図。 保持器の変形例を示す部分断面図。 （Ａ）は従来のゼッパ型等速自在継手の縦断面図、（Ｂ）は同横断面図。 従来のゼッパ型等速自在継手の内側継手部材と外側継手部材の２つの案内溝のボール中心軌跡図。

符号の説明

１ 外側継手部材
１ａ 球面状内周面
１ｂ，２ｂ 案内溝
２ 内側継手部材
２ａ 球面状外周面
２ｃ スプライン孔
３ トルク伝達ボール
４ 保持器
４ａ 溝部
４ｂ 窓
４ｃ 球状内周面
４ｄ 球状外周面
５ 止め輪
６ 案内リング
７ シャフト
Ｃ１ ボール中心軌跡（傾斜直線）
Ｃ２ ボール中心軌跡
Ｃ２ａ 傾斜直線部
Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃ 円弧部
Ｖ 軸直角断面

Claims (4)

1. 球面状の内周面に軸方向に延びる複数の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複数の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する複数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と、トルク伝達ボールを窓内に収容して保持する保持器とを備え、外側継手部材の隣り合う案内溝のボール中心軌跡を継手中心軸に対して交互に逆の勾配を持つ傾斜直線にするとともに、内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡を、その中間部は継手中心の軸直角断面で前記外側継手部材の傾斜直線に逆勾配で対称的に交差する傾斜直線部とし、両端部は継手中心を中心とする円弧であって前記傾斜直線部の両端から所定長で延在する円弧部とし、かつ、前記保持器の外径側窓開き寸法を前記ボールの径よりも狭め、前記外側継手部材に対して前記内側継手部材が作動角を成して前記ボールの一つが前記外側継手部材の案内溝の開口側端部まで移動した状態で、当該ボールの中心が、内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡における前記傾斜直線部と円弧部の境目まで移動するようにしたことを特徴とする固定式等速自在継手。
2. 前記保持器の外径側窓開き寸法を、保持器と別体の別部材によって前記ボールの径よりも狭めたことを特徴とする請求項１の固定式等速自在継手。
3. 内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡の円弧部に対応する部分を、内側継手部材本体とは別部材で構成したことを特徴とする請求項１または２の固定式等速自在継手。
4. 継手開口側の保持器の内径面を円筒面にするとともに、この円筒面に内側継手部材の球面状外周面を摺接案内するための案内リングと、案内リングの抜止め用の留め輪を装着したことを特徴とする請求項１から３のいずれかの固定式等速自在継手。

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