JP4593398B2 - 固定型等速自在継手 - Google Patents

Description

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型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、固定型等速自在継手が一般に使用される。この固定型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６（Ａ）および図７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６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。

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６（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。

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、これにより継手の最大作動角が抑えられ、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最大作動角は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型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カップ状の外側継手部材と、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、外側継手部材と内側継手部材の二つの案内溝のボール中心軌跡を、互いに等長であってそれぞれの中間部が継手中心の軸直角断面で互いに交差すると共に軸直角断面を挟んで軸方向に鏡像対称となる一対の傾斜直線部と、内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡については、さらに、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で構成し、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。

一方、本発明は、外側継手部材と内側継手部材の二つの案内溝のボール中心軌跡が、互いに等長であってそれぞれの中間部が継手中心の軸直角断面で互いに交差すると共に軸直角断面を挟んで軸方向に鏡像対称となる一対の傾斜直線部を有するので、ボールを前記交差部分すなわち継手中心の軸直角断面内に保持することができ、このようなボールの定位置保持によって、継手作動角０°において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、外側継手部材の案内溝のボール中心軌跡を、外側継手部材の開口側に向って開いていく傾斜直線部で構成したことを特徴とする。
これにより、固定型等速自在継手の組付性、すなわち外側継手部材の内側に内側継手部材と保持器を組込む際の作業性を良好にするとともに、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。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、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たことを特徴とする。
これにより、継手の高作動角時に一部のボールが外側継手部材の案内溝から外側に出ても、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。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、保持器の外径側窓開き寸法を、保持器と別体の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５の発明は、請求項３または４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。

本発明の固定型等速自在継手は、高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傾斜直線部の両端から延在する円弧部が、継手中心を中心とする円弧であるため、ボール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、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、外側継手部材の外側においてボールを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。

一方、本発明は、外側継手部材と内側継手部材の二つの案内溝のボール中心軌跡が、互いに等長であってそれぞれの中間部が継手中心の軸直角断面で互いに交差すると共に軸直角断面を挟んで軸方向に鏡像対称となる一対の傾斜直線部を有するで、ボールを前記交差部分すなわち継手中心の軸直角断面内に保持することができ、このようなボールの定位置保持機能によって、継手作動角０°において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。

また、本発明の固定型等速自在継手は、外側継手部材の案内溝にボール中心線の傾斜直線部に対応した直線部を有し、この直線部でトルク伝達を行なうことになるが、直線の案内溝はゼッパ型等速自在継手の円弧状案内溝よりも高精度かつ低コストに形成することができる。内側継手部材の案内溝についても、ボール中心線の円弧部に対応する部分はトルク伝達では無効な部分であるから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高精度に仕上げれはよいから加工が容易である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。図１（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の固定型（ゼッパ型）等速自在継手を示したものであって、（Ａ）が作動角０°、（Ｂ）がすべてのボールがトルク伝達可能な中間作動角、（Ｃ）が最大作動角の状態を示す。この等速自在継手の構成部材は、基本的に図６の等速自在継手と同様であって、同一部分には同一符号を付して重複する説明は省略する。

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。すなわち、図２（Ａ）のように、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、継手開口側に向って閉じる方向にやや傾斜している（傾斜角：−θ）。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。

また、図２（Ｂ）のように、外側継手部材１の案内溝１ｂのボール中心軌跡Ｃ１は、継手中心の軸直角断面Ｖを横切る傾斜直線部Ｃ１ａと、この傾斜直線部Ｃ１ａの奥側端から所定長延在する円弧部Ｃ１ｂで構成される。傾斜直線部Ｃ１ａは、継手開口側に向って開く方向にやや傾斜している（傾斜角：＋θ）。円弧部Ｃ１ｂは継手中心Ｏを中心とする前述のＲよりもやや大きな半径Ｒ’の円弧である（Ｒ＜Ｒ’）。

ボール中心軌跡Ｃ１、Ｃ２を合成したものが図２（Ｃ）である。これから分かるように、傾斜直線部Ｃ１ａとＣ２ａは、継手中心の軸直角断面Ｖで交差する。傾斜直線部Ｃ１ａ、Ｃ２ａは互いにほぼ等長であるが、図３に示すように、軸直角断面Ｖに関して鏡像対称の関係にある。したがって、傾斜直線部Ｃ１ａの左端から軸直角断面Ｖまでの距離Ｌ１_Lと、傾斜直線部Ｃ２ａの右端から軸直角断面Ｖまでの距離Ｌ１_Rはほぼ等しい。また、傾斜直線部Ｃ１ａの右端から軸直角断面Ｖまでの距離Ｌ２_Rと、傾斜直線部Ｃ２ａの左端から軸直角断面Ｖまでの距離Ｌ２_Lもほぼ等しい。

保持器４の継手開口側の内径面は、図４のように、所定幅にわたって内径一定の円筒面とされ、この円筒面に形成した溝部４ａに止め輪５（サークリップ）が嵌合される。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が嵌合される。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。

保持器４の窓４ｂのボール案内面は、図５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、ボールとの当り面圧を下げるために、ボールの外周曲率に符合した凹円弧状４ｂ２にするのがよい。

本発明に係る固定型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が継手中心Ｏを中心とする円弧であるため、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。

具体的には、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の一つが図１（Ｂ）のように外側継手部材１の案内溝１ｂの開口側端部まで移動した時、このボール３の中心は内側継手部材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。内側継手部材２がさらに傾斜すると、図１（Ｃ）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。ここで、内側継手部材２の案内溝２ｂの円弧部は、図２（Ａ）のボール中心軌跡Ｃ２の円弧部Ｃ２ｂに対応する部分である。

また、図３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の等長の傾斜直線部Ｃ１ａ、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と共に、傾斜直線部Ｃ１ａ、Ｃ２ａ同士が軸直角断面Ｖを挟んで軸方向に鏡像対称を成すから、ボール３を前記交差部分すなわち継手中心Ｏの軸直角断面Ｖ内に保持することができる。このようなボール３の定位置保持によって、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）（Ｃ）は本発明に係る固定型等速自在継手の断面図。 案内溝のボール中心軌跡を誇張して示すもので、（Ａ）は内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡、（Ｂ）は外側継手部材の案内溝のボール中心軌跡、（Ｃ）は内側継手部材と外側継手部材の二つの案内溝の互いに重ねたボール中心軌跡。 図２（Ｃ）の拡大図。 保持器のボール部分の拡大断面図。 保持器の窓のボール案内面形状を誇張して示す拡大断面図。 （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。

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
５ 止め輪
６ 案内リング
７ シャフト
Ｃ１，Ｃ２ ボール中心軌跡
Ｃ１ａ、Ｃ２ａ 傾斜直線部
Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃ 円弧部
Ｖ 軸直角断面

Claims (5)

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カップ状の外側継手部材と、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、外側継手部材と内側継手部材の二つの案内溝のボール中心軌跡を、互いに等長であってそれぞれの中間部が継手中心の軸直角断面で互いに交差すると共に軸直角断面を挟んで軸方向に鏡像対称となる一対の傾斜直線部と、内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡については、さらに、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で構成し、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型等速自在継手。
2. 前記外側継手部材の案内溝のボール中心軌跡を、外側継手部材の開口側に向って開いていく傾斜直線部で構成し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たことを特徴とする請求項１の固定型等速自在継手。
4. 前記保持器の外径側窓開き寸法を、保持器と別体の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３の固定型等速自在継手。
5. 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３または４の固定型等速自在継手。

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