JP4554540B2 - 回転軸継手 - Google Patents

Description

本発明は、入力軸と出力軸とが１点においてある角度で折れ曲がっている場合に使用する回転軸継手に関する。

入力軸と出力軸とが１点においてある角度で折れ曲がっている場合に使用する回転軸継手、いわゆる自在継手としてはフックの継手が知られているが、構成部品点数が多いなどの問題点がある。かさ歯車も同じ目的に使用できるが、歯車であるから複雑な機械加工を必要とし、高価であるばかりでなく潤滑が必要であり、振動、騒音を発するという問題点がある。

特許文献１には、フックの継手やかさ歯車のいずれとも異なる回転軸継手が記載されている。図面によりこれを説明する。
図３は特許文献１に記載の回転軸継手を示す斜視図、図４はその片側のヨークを示す斜視図、図５は図４のＸＸ矢視による断面図で、１は入力軸、２は出力軸、３、４は入力軸１と出力軸２とのそれぞれに取り付けられたヨーク、５は１対のヨーク３、４の間に挿入された球体である。ヨーク３、４は同形であるから、以下片側のヨーク３についてやや詳しく説明する。ヨーク３は、外周部31を円周方向に展開したプロフィルを周期的な波形曲線で形成し、内側の表面32をこの波形曲線上の点とピッチコーンの頂点とを結ぶ直線の軌跡で形成し、ピッチコーンの頂点部分に、この頂点を中心とする球面状の凹部35を形成して構成されている。

図６は特許文献１に記載の回転軸継手におけるヨーク３、４をピッチコーンで示した説明図で、入力軸１と出力軸２との折れ曲がり角度をα、ピッチコーンのすそ部の仰角をα／２とし、頂点部分に頂点を中心とする球面状の凹部を形成されたヨーク３、４と、入力軸１と出力軸２との折れ曲がり点を中心とする球体５とで構成され、入力軸１と出力軸２との折れ曲がりの内側位置において、ピッチコーンの内側の表面が接触している。

ヨークが理想的な摩擦体であれば図６の構成のままで摩擦接触によりトルクを伝達することができるが、現実の材料では滑りや摩耗が避けられず、高速で大トルクを伝達することはできない。ピッチコーンに凹凸を設けてかさ歯車とすれば確実にトルクを伝達することができるが、騒音や振動が発生し、また潤滑、摩耗などのメンテナンス上の問題もある。

特許文献１に記載の発明ではかさ歯車に代えて、展開したプロフィルを波形曲線とするヨークとし、この波形曲線を全周で２ないし４サイクルの少ない波数で構成している。さらに転動に際して滑りを生じないように、波形曲線の山の部分と谷の部分とをそれぞれサイクロイド曲線で構成した。
図７にヨーク外周部31の展開プロフィルの一例を示す。全周は山数２つの２サイクルで構成され、山の部分と谷の部分とはそれぞれサイクロイド曲線で、継目部分を滑らかな曲線で接続している。

サイクロイド曲線は、円が直線に沿って滑らずに転がるとき、円周上の定点が描く軌跡である。歯車のプロフィルとして一般的なインボリュート曲線は歯面の表裏で不連続であるが、サイクロイドの場合は頂部を含めて両側が連続した波形となり、少ない山数で連続的に接触したい本発明の継手には好適である。波形曲線としてはこの他に、変形台形曲線、変形正弦曲線、トロコイド曲線など、一般にカム曲線と呼ばれているものが使用できる。

波形曲線の全周の中のサイクル数、すなわち山数を多くするとヨークは実質的にかさ歯車に近いものとなるが、特許文献１に記載の発明ではあえて山数を少なくし、製作を容易にするとともに強度を向上させている。図３ないし５に示した例では山数は２で、図７もこれに対応している。山数が１では互いにかみ合う形にならないので、現実的でない。山数が多くなると山の幅が小さくなって強度が低下するから、多くしても６山程度が限度であり、例示した２山がもっとも望ましい。

特許文献１に記載の発明の軸継手は、１対のヨーク３、４の中間に球体５を介在させることにより、軸方向の力の伝達ならびにコーンの位置合わせを確実なものとしている。トルクの伝達はヨークの内側表面のころがり接触により行われる。サイクロイド曲線等の波形曲線を採用することによりほぼ完全なころがり接触となるので摩耗の問題はほとんどないが、潤滑を行わないでも長時間安全に運転するため、ヨークそのものを自己潤滑作用のある低摩擦材製とすることが望ましい。一方、球体は軸受用鋼球やセラミックボール等の硬いものが適当である。

また、ヨーク３、４を射出成形で製造する場合などには、一方のヨーク３を、凹部33に球体５を嵌合した形にして一体に形成し、部品点数を削減することもできる。
特開２００５−１６３５９３号公報

特許文献１に記載の回転軸継手によって回転を伝達することができるが、山数が少ないことに起因して回転むらや振動、騒音が多少発生しており、用途によってはこれが問題となる。本発明は、特許文献１に記載の回転軸継手をさらに改良して、回転むらをなくし、騒音や振動を低減するとともに強度を向上させることを目的とする。

本発明は、入力軸と出力軸とが１点において角度αで折れ曲がっている回転軸継手であって、前記入力軸と出力軸とのそれぞれに、ピッチコーンのすそ部の仰角がα／２で、外周部と内周部との２重構造で、それぞれが円周方向に展開したプロフィルが同じ周期の、全周で２山の波形曲線で形成されるとともに、それぞれの内側の表面がこの曲線上の点とピッチコーンの頂点とを結ぶ直線の軌跡で形成され、外周部と内周部とで位相が90度ずれているピッチコーンの頂点部分に、この頂点を中心とする球面状の凹部を形成したヨークが取り付けられ、それぞれのヨークが、折れ曲がりの内側位置においてそれぞれの内側の表面同士が接触するとともに、前記凹部に嵌合する１個の球体を介して軸方向に接続されていることを特徴とする回転軸継手であり、望ましくは前記の球体が前記ヨークの一方と凹部に嵌合した形で一体に形成されている前記の回転軸継手である。

本発明によれば、回転軸継手におけるかみ合いが円滑となり、振動や騒音が軽減され、回転機器の小型化等に貢献するという、すぐれた効果を奏する。

本発明は、基本的な構成はすでに説明した特許文献１に記載のものと同様、入力軸と出力軸とが１点において角度αで折れ曲がっている回転軸継手であり、入力軸と出力軸とのそれぞれに、ピッチコーンのすそ部の仰角がα／２で、外周部を円周方向に展開したプロフィルが周期的な波形曲線で形成され、ピッチコーンの頂点部分に球面状の凹部を形成したヨークが取り付けられている。以下、実施例について、特許文献１に記載の回転軸継手との相違点を中心に説明する。

［参考例］
参考例を図面により説明する。図１はさきに示した図４と同様、入力軸と出力軸とが１点においてある角度で折れ曲がっている回転軸継手における片側のヨーク3Aを示す斜視図である。
ヨーク3Aは、外周部31を円周方向に展開したプロフィルが周期的な波形曲線で形成されるとともに、その内側の表面がこの曲線上の点とピッチコーンの頂点とを結ぶ渦巻き状の曲線の軌跡で形成され、ピッチコーンの頂点部分に、この頂点を中心とする球面状の凹部35が形成されている。

図４に示した従来のヨーク３に対して、参考例のヨーク3Aは、かみ合いの接触のタイミングが内周寄りと外周寄りとでずれることにより、回転むらが少なくなり、振動や騒音が軽減される。
［実施例］
図２は本発明の実施例の片側のヨーク3Bを示す斜視図である。

ヨーク3Bは、基本的にはこれまでのものと同様であるが、外周部31と内周部33との２重構造となっており、それぞれが円周方向に展開したプロフィルは同じ周期の波形曲線で形成されるとともに、それぞれの内側の表面32、34がこの曲線上の点とピッチコーンの頂点とを結ぶ直線の軌跡で形成され、外周部31と内周部33とで位相が90度ずれている。
外周部31と内周部33とが２重構造でかつ位相が90度ずれていることにより、波形曲線は全周で２山（２サイクル）であるが、かみ合いのタイミングは倍の４山と同じになり、回転むらが少なくなり、振動や騒音が軽減される。

以上の参考例及び実施例において、球体５を一方のヨーク3A、3Bの凹部35に嵌合した形で一体に形成してもよい。また、球面状の凹部に代えて、球体５の直径にほぼ等しい径の孔をあけ、外側から凹部の底部に相当する位置までこの孔径に等しいピンを打ち込んでこの孔をふさぐようにしてもよい。
本発明においては、内外２重構造とすることにより回転むらを軽減しているから、基本的な波形曲線としてはサイクル数を増加させる必要がないので、全周を２山（２サイクル）で構成することができる。

本発明の回転軸継手は歯車等に比べて形状が単純であるから小型化に有利であり、射出成形法やロスとワックス法等によって外径10ｍｍ程度の小さいものも製作できる。また材質はアルミニウム等の金属、樹脂、セラミックスなど自由に選択できる。したがって小型、軽量を要求される特許文献１に記載された人工心臓用の揺動板ポンプなどにも使用できる。なお、このようなポンプに使用する場合、本発明の軸継手自身は回転しないが、機構的には回転する継手と何ら区別するところはない。

参考例の回転軸継手の片側のコーンを示す斜視図である。 本発明の実施例の回転軸継手の片側のコーンを示す斜視図である。 従来技術の回転軸継手を示す斜視図である。 従来技術の回転軸継手の片側のヨークを示す斜視図である。 図4のＸＸ矢視による断面図である。 従来技術の回転軸継手におけるヨークをピッチコーンで示した説明図である。 従来技術の回転軸継手におけるヨーク外周部のプロフィルを示す展開図である。

符号の説明

１ 入力軸
２ 出力軸
３、４、3A、3B ヨーク
５ 球体
31 外周部
32 （外周部内側の）表面
33 内周部
34 （内周部内側の）表面
35 凹部

Claims (2)

1. 入力軸（１）と出力軸（２）とが１点において角度αで折れ曲がっている回転軸継手であって、前記入力軸（１）と出力軸（２）とのそれぞれに、ピッチコーンのすそ部の仰角がα／２で、外周部（31）と内周部（33）との２重構造で、それぞれが円周方向に展開したプロフィルが同じ周期の、全周で２山の波形曲線で形成されるとともに、それぞれの内側の表面（32、34）がこの曲線上の点とピッチコーンの頂点とを結ぶ直線の軌跡で形成され、外周部（31）と内周部（33）とで位相が90度ずれているピッチコーンの頂点部分に、この頂点を中心とする球面状の凹部（35）を形成したヨーク（3B）が取り付けられ、それぞれのヨーク（3B）が、折れ曲がりの内側位置においてそれぞれの内側の表面（32、34）同士が接触するとともに、前記凹部（35）に嵌合する１個の球体（５）を介して軸方向に接続されていることを特徴とする回転軸継手。
2. 前記の球体（５）が前記ヨーク（3A、3B）の一方と凹部（35）に嵌合した形で一体に形成されている請求項１に記載の回転軸継手。

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