JP4559276B2

JP4559276B2 - 等速自在継手用ケージ

Info

Publication number: JP4559276B2
Application number: JP2005106569A
Authority: JP
Inventors: 洋生森本; 和彦吉田
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2025-04-01
Also published as: JP2006283914A

Description

本発明は、例えば自動車や各種産業機械の動力伝達機構において使用され、外輪と内輪の相互間で回転トルクを伝達する等速自在継手の構成部品の一つであるケージに関する。

等速自在継手は、自動車や各種産業機械の動力伝達系において、駆動側の回転軸と従動側の回転軸を連結して等角速度でトルクを伝達するもので、トルク伝達要素であるボールを用いたボールタイプの等速自在継手として、ボールフィックス型等速自在継手（ＢＪ）、ダブルオフセット型等速自在継手（ＤＯＪ）やレブロ型等速自在継手（ＬＪ）など種々のものがある。

これら等速自在継手は、外輪、内輪、トルク伝達ボールおよびケージを主要な構成要素として成り立っている。外輪の内周面には軸方向に延びるトラック溝が形成され、また、内輪の外周面にも軸方向に延びるトラック溝が形成されている。これら外輪と内輪に、駆動側の回転軸と従動側の回転軸が連結されている。外輪のトラック溝と内輪のトラック溝とが対をなしてボールトラックを形成し、各ボールトラックにトルク伝達ボールが組み込んである。トルク伝達ボールは、ケージの円周方向に形成されたポケット内に収容されて転動自在に保持されている。

従って、継手が作動角をとった状態でトルクを伝達するとき、トルク伝達ボールは、常に、外輪の回転軸と内輪の回転軸とがなす角を二等分する平面内に位置するようにケージによって規制され、これにより、継手の等速性が確保される。このように等速自在継手の一つの構成部品であるケージは、外輪と内輪の間に組み込まれ、大きな負荷に耐えてトルク伝達ボールを等速二等面上に保持する重要な部品の一つであり、高強度であることが望まれている。

ケージの高強度化を図るための手段として、例えば等速自在継手の形状によるものが種々提案されている。例えば、二種類のトラックオフセットを設けることにより、作動性を確保しながらボールの飛び出し力を小さくする手段がある（例えば、特許文献１参照）。また、ボールを組み込むためのカット部を外輪に設けることにより、ボールの組み込み角度を小さくでき、ケージ柱部の断面積を増加して強度を確保する手段がある（例えば、特許文献２，３）。さらに、等速自在継手の内部設計を最適化することで高硬度化を図るようにした手段がある（例えば、特許文献４〜６参照）。

また、ケージ自体の形状対策により高硬度化を図る手段も提案されている。例えば、ケージの開口側および奥側を折り曲げに支障がない程度まで延長し、加工精度を向上し断面積を増加することで、ケージの強度を確保する手段がある（例えば、特許文献７参照）。また、ポケットの円周方向長さを長短二種類とすることで、ケージ柱部の断面積を増加することにより強度を確保する手段もある（例えば、特許文献８参照）。
特開平７−２６９５８６号公報特開平１１−１０１２５６号公報特開２００１−３２３９４５号公報特開平１１−１８２５７０号公報特開２００１−３４９３３２号公報特開２００３−９７５９０号公報特開平７−３０１２４６号公報特開平９−１７７８１４号公報

ところで、前述の特許文献１〜６で開示されているように等速自在継手の形状によりケージの強度化を図る手段が講じられている。しかしながら、ケージの外側部材である外輪や内側部材である内輪などの等速自在継手の形状変更によりケージの強度化を図る手段は、これら等速自在継手の内部部品の設計変更を伴うため、効率的な対策であるとはいいがたい。

また、前述の特許文献７で開示されているようにケージの開口側および奥側を折り曲げに支障がない程度まで延長し、加工精度を向上し断面積を増加することで、ケージの強度を確保する手段では、素形材の重量増加と製品の重量増加という問題がある。前述の特許文献８で開示されているようにポケットの円周方向長さを長短二種類とすることで、ケージ柱部の断面積を増加することにより強度を確保する手段では、ポケットを形成する打ち抜き工程が２工程となるため、製品コストの増加を招くという問題がある。

一方、ケージは、短円筒状素形材を打抜きプレスして複数のポケットを素形材周方向に形成した後、その素形材を浸炭焼入れにより熱処理しているが、その熱処理方法として高温中で浸炭・拡散処理した後、低温に均熱保持した上で焼入れを行っている。これは、浸炭および拡散処理温度から直接的に焼入れ処理を行うと、熱処理歪みが増加するためである。

この処理により得られるケージの硬度分布は、ケージ表面から内部に向けて硬度が一定の領域があり、その内部に向かって緩やかに硬度が減少していくようになっている。これは、熱処理後の研削工程時の取り代を考慮すると、十分な硬化深さが必要となるためである。浸炭焼入れ処理のコストは処理時間に依存するところが多く、従来のケージにおける硬度分布を得ながら時間短縮による低コスト化を図ることは非常に困難であった。

従来のケージにおける浸炭熱処理後の硬度分布は、ケージ表面の最高硬さ部が十分に深く、また、緩やかに内部まで炭素の拡散があるため、有効硬化深さが十分に確保されている。しかしながら、高硬度で深い硬化層を持つことは、薄肉で鋭角部を多数持つケージにおいては靭性を低下させるという問題がある。そのため、衝撃的な負荷や動的な負荷を受けた場合、脆性的にケージが損傷するおそれがある。その結果、高作動角をとった場合の等速自在継手の強度は、ケージの強度で決定されてしまう。

また、熱処理コストを低減するためには、その処理時間を短縮することが考えられるが、その処理時間を短縮した上で従来と同等の硬度分布を得るためには、処理温度をより一層高温にするか、あるいは炉内の炭素濃度を高めることにより炭素の拡散速度を上げる必要がある。しかしながら、処理温度を高温にすることは結晶粒の粗大化を引き起こしやすく、また、炉内の炭素濃度を高濃度とすることはケージの鋭角部に網目状セメンタイトの析出を引き起こしやすく、強度の低下とバラツキの原因となる。

そこで、本発明は前述した様々な問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、熱処理による結晶粒の粗大化と網目状セメンタイトの析出を防止し、熱処理コストの低減を図り得る高強度な等速自在継手用ケージを提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、等速自在継手の外側継手部材の内球面と内側継手部材の外球面との間に配置され、前記外側継手部材と内側継手部材間のボールトラックに配されたボールを収容するポケットが形成された等速自在継手用ケージであって、昇温、浸炭および油冷で構成した熱処理パターンで浸炭焼入れされ、表面から０．１ｍｍの深さ位置での硬度がＨＲＣ５８以上でその位置から深さ方向に向けて漸次低くなり、外球面径と内球面径の差の１／２をＸとし、ＨＲＣ５０となる深さをｔとした時の硬化比ｔ／Ｘを０．０３７５〜０．１３７５としたことを特徴とする。
ここで、前述した構成における表面とは、等速自在継手の外側継手部材の内球面と球面接触する外球面と、前記等速自在継手の内側継手部材の外球面と球面接触する内球面と、前記外側継手部材と内側継手部材間のボールトラックに配置されたボールを収容するポケットで対向する一対のボール転走面である。

本発明では、表面から０．１ｍｍの深さ位置での硬度がＨＲＣ５８以上でその位置から深さ方向に向けて漸次低くなり、外球面径と内球面径の差の１／２をＸとし、ＨＲＣ５０となる深さをｔとした時の硬化比ｔ／Ｘを０．０３７５〜０．１３７５とした硬度分布を具備したケージとしたことにより、熱処理による結晶粒の粗大化と網目状セメンタイトの析出を現出させることなく、熱処理時間の短縮化により熱処理コストの低減化と共に高強度化が図れる。
なお、表面から０．１ｍｍの深さ位置での表面硬度がＨＲＣ５８より下回ると、摩耗の進行が増大するという問題が発生する。また、硬化深さの下限値である硬化比ｔ／Ｘが０．０３７５を下回ることは、表面硬度との関係から技術的に困難であり、硬化深さの上限値である硬化比ｔ／Ｘが０．１３７５を上回ると、非硬化部の減少によりケージの靭性が低下し、強度低下の原因となる。

本発明によれば、昇温、浸炭および油冷で構成した熱処理パターンで浸炭焼入れされ、表面から０．１ｍｍの深さ位置での硬度がＨＲＣ５８以上でその位置から深さ方向に向けて漸次低くなり、外球面径と内球面径の差の１／２をＸとし、ＨＲＣ５０となる深さをｔとした時の硬化比ｔ／Ｘを０．０３７５〜０．１３７５とした硬度分布を具備したことにより、ケージの靭性を向上させることができ、また、炭素の拡散量が減ることにより、相変態に伴う熱処理歪みを低減することができ、さらに、熱処理時間を短縮することができることから、熱処理コストを低減することができ、高強度のケージを容易に提供することができる。

図１は本発明に係る等速自在継手用ケージの実施形態で、そのケージを組み込んだボールフィックス型等速自在継手（ＢＪ）を例示する。なお、本発明は、ダブルオフセット型等速自在継手（ＤＯＪ）やレブロ型等速自在継手（ＬＪ）など、他のタイプの等速自在継手にも適用可能である。

この等速自在継手は、外輪１０と内輪２０とトルク伝達ボール３０とケージ４０とを主要な構成要素として成り立っている。外輪１０は球形の内周面１１を有し、その内周面１１に、軸方向に沿って曲線状に延びる複数のトラック溝１２が周方向に等間隔で形成されている。内輪２０は球形の外周面２１を有し、その外周面２１に、軸方向に沿って曲線状に延びる複数（外輪１０のトラック溝１２と同数）のトラック溝２２が形成されている。

外輪１０のトラック溝１２と内輪２０のトラック溝２２とが対をなしてボールトラックを形成し、各ボールトラックに１個ずつトルク伝達ボール３０が組み込んである。トルク伝達ボール３０は外輪１０と内輪２０との間に介在してトルクを伝達する役割を果たす。各トルク伝達ボール３０は、ケージ４０の円周方向に形成されたポケット４１内に保持されている。なお、ボール個数が増加するとケージ４０の強度が低下することから、ボール個数が多い方がこの実施形態はより一層効果を発揮する。

図２は図１の等速自在継手に組み込まれたケージ４０を示し、図３（ａ）（ｂ）はトルク伝達ボール３０が収容されたポケット４１を示す。ケージ４０は、軸方向に短い略円筒形状を有し、球形外面４２が外輪１０の内周面１１に接触案内され、球形内面４３が内輪２０の外周面２１に接触案内される。このケージ４０には、トルク伝達ボール３０を収容するポケット４１が形成されている。ポケット４１のケージ軸方向で対向する一対の側面４４は平行面とされ、その一対の側面４４の間隔（ポケット幅）はトルク伝達ボール３０の球形と略等しく、各側面４４はトルク伝達ボール３０の転走面となっている。

継手が作動角をとった状態でトルクを伝達するとき、トルク伝達ボール３０は、常に、外輪１０の回転軸と内輪２０の回転軸とがなす角を二等分する平面内に位置し、これにより、継手の等速性が確保される。

前述した等速自在継手の構成部品の一つであるケージ４０は、以下の工程を経て製作される。図４に示すように短円筒状素形材Ｐ₁の外面および内面を旋削して球形外面４２および球形内面４３を形成する旋削工程（ア）と、素形材Ｐ₂を打抜きプレスして複数のポケット４１を素形材周方向に形成するプレス工程（イ）と、ポケット形成後の素形材Ｐ₃の表面硬さを浸炭焼入れにより高める熱処理工程（ウ）と、熱処理後の素形材Ｐ₄の球形外面４２および球形内面４３を研削する研削工程（エ）と、研削後の素形材Ｐ₅についてポケット４１の素形材軸方向で対向する一対の側面４４を切削する仕上げ工程（オ）とからなる。

以下では、ケージ４０の製造方法における熱処理工程について、本発明の実施形態を従来と比較しながら例示する。図５（ａ）は本発明の実施形態における熱処理パターン、図５（ｂ）は従来における熱処理パターンをそれぞれ示す。なお、素形材としては、例えば低炭素の肌焼鋼（ＳＣＭ４２０）を使用し、それぞれバッチ炉による浸炭焼入れ処理のパターンである。

まず、従来における熱処理パターンは、同図（ｂ）に示すように９４０℃への昇温時間Ａ（３０〜４０分）、浸炭時間Ｂ（２時間）、拡散時間Ｃ（１．５時間）、均熱保持Ｄ（３０〜４０分）および８６０℃からの油冷で構成され、全体としての熱処理時間が４．５時間となっている。これに対して、本発明の実施形態における熱処理パターンは、９４０℃への昇温時間Ａ（３０〜４０分）、浸炭時間Ｂ（１．２５時間）および９４０℃からの油冷で構成され、全体としての熱処理時間が２時間となっている。

この熱処理の前後におけるケージ４０のポケット高さｈの寸法変化量を測定すると、従来における熱処理では、各ポケットごとの寸法変化量の平均値が０．０１２ｍｍであったのに対して、本発明の実施形態における熱処理では、各ポケットごとの寸法変化量が０．０１１ｍｍであり、熱処理による寸法変化量は減少する。なお、前述したケージのポケット高さｈとは、図２に示すようにケージ４０の軸方向端面４５を基準として、ボール転走面となるポケットの側面４４までの寸法を意味する。

前述した従来における熱処理、本発明の実施形態における熱処理をそれぞれ実施し、同条件の焼戻し処理を行ったケージの研削工程後の硬度分布を図６に示す。従来における硬度分布（図中の破線）は、表面部分で最高硬度となり、その硬度が０．１〜０．２ｍｍ保持され、さらに内部に向かって硬度が減少している。これに対して、本発明の実施形態における硬度分布（図中の実線）は、表面部分で最高硬度となるのは従来の場合と同様であるが、内部に向かって急激に硬度が減少している。これら硬度分布において、硬度がＨＲＣ５０となる有効硬化深さについては、従来における硬度分布では０．７ｍｍであるのに対して、本発明の実施形態における硬度分布では０．４ｍｍと浅くなっている。

本発明の実施形態における硬度分布は、表面から０．１ｍｍの深さ位置での硬度がＨＲＣ５８以上でその位置から深さ方向に向けて漸次低くなり、外球面径と内球面径の差の１／２をＸとし、ＨＲＣ５０となる深さをｔとした時の硬化比ｔ／Ｘを０．０３７５〜０．１３７５とする。

これにより、熱処理による結晶粒の粗大化と網目状セメンタイトの析出を現出させることなく、熱処理時間の短縮化により熱処理コストの低減化と共に高強度化が図れる。図７は硬化比ｔ／Ｘと衝撃捩り強度との関係を示し、その硬化比ｔ／Ｘが０．０３７５〜０．１３７５の範囲で、衝撃捩り強度の向上が見られる。

なお、表面から０．１ｍｍの深さ位置での表面硬度がＨＲＣ５８より下回ると、摩耗の進行が増大するという問題が発生する。また、硬化深さの下限値である硬化比ｔ／Ｘが０．０３７５を下回ることは、表面硬度との関係から技術的に困難であり、硬化深さの上限値である硬化比ｔ／Ｘが０．１３７５を上回ると、非硬化部の減少によりケージの靭性が低下し、強度低下の原因となる。

従来品のケージと本実施品のケージ４０とを比較すると下表のようになる。

上表から明らかなように従来品では熱処理時間が４．５時間であったのが、本実施品では２時間となり５５％時間短縮されている。また、衝撃捩り強度に関しては、従来品を基準した場合、本実施品では、９％強度が上昇した。

なお、前述した実施形態では、肌焼鋼を浸炭焼入れ焼戻し処理した場合について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、浸炭浸窒焼入れ焼戻し処理とすることで、耐摩耗性をさらに向上させることも可能である。

本発明の実施形態で、ボールフィックス型等速自在継手（ＢＪ）を示す断面図である。図１のケージを示す断面図である。（ａ）は図１のケージおよびそのポケットに収容されたボールを示す拡大部分平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図である。ケージの製造工程を説明するためのフロー図である。（ａ）は本発明の実施形態における熱処理パターンを示す説明図、（ｂ）は従来における熱処理パターンを示す説明図である。本発明の実施形態における硬度分布と従来における硬度分布を示す特性図である。硬化比ｔ／Ｘと衝撃捩り強度との関係を示す特性図である。

符号の説明

１０外輪
１２トラック溝
２０内輪
２２トラック溝
３０トルク伝達ボール
４０ケージ
４１ポケット
４４ボール転走面（側面）

Claims

等速自在継手の外側継手部材の内球面と内側継手部材の外球面との間に配置され、前記外側継手部材と内側継手部材間のボールトラックに配されたボールを収容するポケットが形成された等速自在継手用ケージであって、昇温、浸炭および油冷で構成した熱処理パターンで浸炭焼入れされ、表面から０．１ｍｍの深さ位置での硬度がＨＲＣ５８以上でその位置から深さ方向に向けて漸次低くなり、外球面径と内球面径の差の１／２をＸとし、ＨＲＣ５０となる深さをｔとした時の硬化比ｔ／Ｘを０．０３７５〜０．１３７５としたことを特徴とする等速自在継手用ケージ。
前記表面は、等速自在継手の外側継手部材の内球面と球面接触する外球面と、前記等速自在継手の内側継手部材の外球面と球面接触する内球面と、前記外側継手部材と内側継手部材間のボールトラックに配置されたボールを収容するポケットで対向する一対のボール転走面である請求項１に記載の等速自在継手用ケージ。