JP4652267B2 - トリポード型等速自在継手 - Google Patents

Description

この発明は、前輪駆動式自動車等に適用されるトリポード型等速自在継手に関する。

前輪駆動の自動車の駆動軸の回転動力を前輪に等速で伝達するトリポード型等速自在継手の基本的構造例を図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すと、これは外輪１の内周面の外輪軸方向に３本の円筒形トラック溝２を形成し、外輪１内に挿入したトリポード部材４の半径方向に突設した３本の脚軸１１の円筒状の外周面にコロ等の転動体１２を介して回転可能に嵌挿したローラ１３をトラック溝２に嵌挿して構成される。各ローラ１３は、対応するトラック溝２の両側のローラ案内面３に係合された状態で、トラック溝２に回転可能に、且つ、外輪軸方向に摺動可能に嵌合する。

図７に示すように外輪１とトリポード部材４が作動角θをとる状態で回転力伝達を行う場合、各ローラ１３とトラック溝２のローラ案内面３とは図８に示すように互いに斜交する関係となる。この場合、ローラ１３は図７の矢印イで示す方向に転がり移動しようとするのに対し、トラック溝２は外輪軸方向に平行な円筒形であるため、ローラはトラック溝２に拘束されながら移動することになる。そのため、トラック溝２のローラ案内面３とローラ１３の相互間に滑りが生じて発熱し、更に、この滑りが軸方向に誘起スラストを発生させる。このような誘起スラストは、車体の振動や騒音の発生原因となる。

上記誘起スラストを低減させたトリポード型等速自在継手として、ローラを内リングと外リングで二階立構造としたもの（特公平３−１５２９号公報参照）や、トリポード部材の脚軸の外周面にローラを首振り揺動可能に支持したもの（特開昭５４−１３２０４６号公報参照）が知られている。前者のローラ二階立構造のものは、ローラを内リングと外リングの組合せで構成するために、ローラ部分の部品点数、組立工数が多くなって製品コストが高くなる不具合がある。また、後者はローラが基本的な図６と同様な簡単（一階立）構造ゆえに製品コストが割安となる利点があり、その基本構造例を図９（Ａ）及び（Ｂ）に示し説明する。

図９のトリポード型等速自在継手は、トリポード部材４の脚軸２１の外周面２２が軸方向断面が略楕円状の緩やかな曲率の曲面で、この外周面２２にコロ等の転動体２３を介して１つのローラ２４の円筒内周面が嵌挿される。ローラ２４の外周面は外輪１のトラック溝２に回転可能、且つ、外輪軸方向に摺動可能に嵌挿される。この継手の場合、図９（Ｂ）に示すように外輪１とトリポード部材４が作動角θをとる状態で回転力伝達を行うと、脚軸２１の外周面２２が転動体２３を介してローラ２４の円筒内周面を摺動して、脚軸２１に対してローラ２４が多少とも首振り揺動し、この揺動でローラ２４が外輪１のトラック溝２の両側のローラ案内面３によって外輪１の軸線と多少とも平行に案内される。従って、ローラ２４がローラ案内面３を外輪軸方向に転動してローラ２４の滑り抵抗が低減され、誘起スラストが低減される。

ところが、図９の継手は、脚軸２１に対するローラ２４の揺動量に限界があり、その限界を超えて、外輪１とトリポード部材４が角度をとって回転力伝達を行う場合、ローラ２４はトラック溝２に対して平行な姿勢を維持できなくなり、ローラ２４とトラック溝２の間に滑りが生じ、この滑りが外輪軸方向に誘起スラストを発生させる。この誘起スラストは、作動角θに比例して増大して自動車の車体にとって振動発生や騒音の原因となっており、その低減化が難しい問題があった。

このような問題を解決するものとして、この発明者はトリポード部材の脚軸の外周面を脚軸の軸線に中心を持つ真球面とした等速自在継手を出願した（特願平８−１９１０６号）。その具体例を図１０及び図１１を参照して説明すると、同図の継手はトリポード部材４の３本の脚軸５の外周面が脚軸５の軸線上に中心Ｐを持つ真球面ｍ1 で、この真球面ｍ1 に複数の一連のコロ等の転動体６を介してローラ７の円筒内周面ｎを回転可能に嵌挿した構造で、他の外輪１等は図６の継手と基本的に同じ構造である。ローラ７の外周面は、例えば外輪１の円筒状トラック溝２の両側のローラ案内面３に合う曲面であり、ローラ７の円筒内周面ｎの開口両端部に嵌着されたワッシャー８で転動体６の抜けが防止される。

図１０の継手が作動角運転を行う場合、外輪１のトラック溝３に嵌挿されたローラ７の円筒内周面ｎに対してトリポード部材４の脚軸５の真球面ｍ1 がその中心Ｐを中心に相対回転移動して、ローラ７をトラック溝３の軸方向に平行に移動させるので、誘起スラストの発生が抑制される。

本発明者等は図１０の継手の尚更の高性能化を試みた結果、次の知見を得た。即ち、図１０の継手において、脚軸５の真球外周面ｍ1 と転動体６が点接触して面圧が高くて負荷容量が小さくなる傾向にあり、その対策として脚軸５の外径を大きくすることが考えられるが、これでは継手全体が大径化する。また、作動角の大きさに関係なく負荷を受ける転動体６の本数が一定となるが、図１１（Ａ）及び（Ｂ）の矢印に示すようにローラ７に複数の転動体６を介し脚軸５から受けるベクトルＭ回りモーメントが生じ、これがローラ７の姿勢を不安定にして誘起スラストの尚一層の低減化を難しくしている。更に、作動角の大きさに関係なく負荷を受ける転動体６に応力集中化が生じ易く、これが転動体等の耐久性に影響を及ぼしている。

この発明の目的は、図１０の継手の上記問題点を、大径化することなく、かつ、継手の部品点数を増やすことなく解決したトリポード型等速自在継手を提供することにある。

上記目的を達成するため、この発明は、外輪の内周に外輪軸方向に形成された３本のトラック溝に、トリポード部材の３本の脚軸に転動体を介して回転可能に外嵌したローラを、トラック溝の両側の外輪軸方向のローラ案内面に係合させたトリポード型等速自在継手において、上記脚軸の横断面を、短軸が負荷側を向くと共に長軸が非負荷側を向いた楕円としたものである。この場合の楕円は、その短軸と長軸との差をたとえば数１０〜１００μ程度とし、脚軸の軸線に垂直な全ての断面において楕円量を同一にしたものが製造上望ましい。このように脚軸の外周面の負荷側を短軸の楕円面にすることで、当該面と接して負荷を受ける転動体への応力集中が緩和され、最大面圧や耐久性が改善される。

ここで、脚軸の縦断面における外周面の形状を、脚軸の軸方向両端側に位置し脚軸の軸線上に中心を持つ真円の一部を構成する円弧と、前記円弧の間に位置し前記円弧と滑らかに連なった前記円弧の曲率半径よりも大きな曲率半径の曲線との組合せで形成してもよく、当該曲線は、曲率中心と曲率半径を異にする複数の円弧の組合せ、あるいは、曲率半径を無限大とした場合に相当する直線とすることができる。これにより、転動体と最大面圧で接触する脚軸の軸方向中央部分が、脚軸の軸線上に曲率中心をもった真球面よりも曲率半径が大きい緩やかな曲面で形成されるため、転動体の面圧をより低減させることができる。

この発明によれば、トリポード部材の脚軸の横断面形状を短軸が負荷側を向くと共に長軸が非負荷側を向いた楕円となすことにより、脚軸と接する転動体の応力集中が緩和され、誘起スラストと耐久性に優れたトリポード型等速自在継手を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、既述の図６乃至図１１を含む全図を通じて同一部分、又は、相当部分には同一符号を付して、説明の重複を避ける。

図１（Ａ）及び（Ｂ）に示す実施の形態は、トリポード部材４の脚軸５の外周面が、縦断面で見ると軸線上に中心を持つ円弧ｍ4 で（図１（Ａ））、かつ、横断面で見ると短軸が負荷側を向いた楕円ｍ5 （図１（Ｂ））であることを特徴としている。図１（Ｂ）中の一点鎖線は真円の場合を示す。図１（Ｂ）では理解を容易にするため極端な楕円を示しているが、楕円ｍ5 の楕円量は、短軸（負荷側）と長軸（非負荷側）の差が数１０〜１００μ程度とし、かつ、脚軸５の軸線に垂直な全ての断面において同一とする。このように脚軸５の横断面形状を負荷側を短軸とした楕円ｍ5 とすることで、図１０の継手に比べて脚軸５の負荷側の外周面と接する転動体６の応力集中が緩和され、これにより最大面圧が低減して耐久性が向上する。

図２（Ａ）及び（Ｂ）に示す実施の形態のように、トリポード部材４の３本（図面には１本のみ示す。）の脚軸５の外周面が、脚軸５の軸線上に曲率中心をもつ真球面ｍ1 と、脚軸５の軸方向中央部分に位置し真球面ｍ1 の曲率半径Ｒ1 より大きな曲率半径Ｒ2 の中間曲面ｍ2 とで構成することができる。この脚軸５の外周面に転動体６を介してローラ７の円筒内周面ｎを回転可能に外嵌する。ローラ７は外輪１のトラック溝２に挿入され、その外周面がトラック溝２の両側のローラ案内面３に回転及び摺動可能に係合する。この場合、換言すれば、脚軸５の軸方向両端部に位置し脚軸の軸線上に曲率中心をもつ真円の一部をなす円弧（ｍ1 ）と、この円弧よりも曲率半径の大きな円弧（ｍ2 ）との組合せによって脚軸５の外周面の母線が構成される。

脚軸５の真球面ｍ1 に形成された中間曲面ｍ2 は、転動体６が常時的に最大面圧で接触する領域である。すなわち、トリポード部材４が外輪１に対して常用作動角（約２〜１０ｄｅｇ）で回転力伝達を行う際に中間曲面ｍ2 に主に負荷を受ける転動体６が接触するように、その幅（軸方向寸法）が設定される。中間曲面ｍ2 は真球面ｍ1 より曲率が緩やかな曲面で、その曲率半径Ｒ2 は真球面ｍ1 の曲率半径Ｒ1 の約２〜５倍程度が望ましく、この中間曲面ｍ2 の最大外径は真球面ｍ1 の外径より小さく設定される。

したがって、トリポード部材４の作動角運転時に転動体６が中間曲面ｍ2 に接触し、このときの最大面圧は転動体６が曲率半径の小さい真球面ｍ1 に接触するときの最大面圧よりも小さくなる。つまり、転動体６は小さい曲率半径Ｒ1 の真球面ｍ1 に対してはより点接触に近い接触をするが、大きい曲率半径Ｒ2 の中間曲面ｍ2 に対してはより面接触に近い接触をして、最大面圧の低減と負荷容量の増大が可能となって、継手全体を大径化することなく誘起スラストの抑制と耐久性の向上が可能となる。

図３（Ａ）及び（Ｂ）に示す実施の形態では、上述の脚軸５の真球面ｍ1 の中間部分に円筒面ｍ3 を形成したことを特徴としている。換言すれば、脚軸５の外周面の母線を脚軸５の軸線上に曲率中心をもつ真円の一部をなす円弧（ｍ1 ）と直線との組合せで構成する。この場合の直線（ｍ3 ）は、上述の曲線（ｍ2 ）の曲率半径を無限大にしたものに相当する。円筒面ｍ3 は脚軸５の軸線に平行で、同じく円筒状の転動体６と線接触するため、最大面圧の一層の低減が可能となる。また、真球面ｍ1 と円筒面ｍ3 との組合せ形状は、上記中間曲面ｍ2 に比べて、より容易に、加工性良く形成できる利点もある。

図４（Ａ）及び（Ｂ）は、脚軸５の外周面をいわゆるトーラス面ｍ6 とした場合を示す。このトーラス面ｍ6 は、脚軸５の軸線から外径側に離れた点に中心をもつ半径Ｒ3 の円弧を母線とし、脚軸５の軸方向中央部が最大外径（２Ｒ1 ）となっている。図４に示した構成は面圧低減の趣旨とは逆行しているが、脚軸５のトーラス面ｍ6 が、真球面（比較のために、脚軸５の軸線上に曲率中心をもつ半径Ｒ1 の円弧を図４（Ｂ）に破線で示す。）よりも小さい摩擦抵抗にて転動体６と接触し、より誘起スラストの抑制が容易となる。さらに、継手が作動角をとった状態で運転するとトーラス面ｍ6 の半径差［Ｒ1 −Ｒ3 ］に対応して負荷を受ける転動体６の本数が減り、その分、図１１の真球面の場合に比べて、ローラ７に働く脚軸５から受けるベクトルＭ回りモーメントが減少してローラ７の姿勢が安定することで、結果的に誘起スラストが低減される。なお、このように誘起スラストが低減されるように、トーラス面ｍ6 の半径差［Ｒ1 −Ｒ3 ］を１〜２ｍｍ程度に小さく設定することが必要である。

図５に、図４の構成を備えた継手と図１０の継手についての誘起スラスト測定結果を示す。この場合の図４品は、脚軸５の外周面が最大半径Ｒ1 ＝１９．０９５ｍｍ、母線半径Ｒ3 ＝１７．８５ｍｍのトーラス面ｍ6 であり、図１０品は脚軸の外周面が曲率半径１９．０９５ｍｍの真球面である。図５に示されるように、作動角をとった状態で運転する時の作動角が６ｄｅｇ程度まで大きくなるまでは誘起スラストが図１０品＜図４品の関係にあるが、６ｄｅｇを超える作動角の範囲で誘起スラストが図１０品＞図４品と逆転することが分かる。

したがって、図４に示した構成の場合、脚軸５のトーラス面ｍ6 の作動角が６ｄｅｇ以内の範囲で転動体６に接触する中間部分の曲率を真球面の曲率程度まで緩やかにして、この中間部分を図２の実施例における中間曲面や円筒面と同様なものにすれば、作動角が６ｄｅｇ以内であっても誘起スラストを従来品と同程度かそれ以下に低減させることが可能となる。

図１（Ａ）はトリポード部材の部分正面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＸ−Ｘ断面図である。 図２（Ａ）はトリポード部材の部分正面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のトリポード部材を組み込んだ等速自在継手の部分縦断面図である。 図３（Ａ）はトリポード部材の部分正面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の部分拡大図である。 図４（Ａ）はトリポード部材の部分正面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のトリポード部材に装着した転動体とローラの断面図である。 図４の等速自在継手と従来品のジョイント作動角−誘起スラストの実験データを示すグラフ図である。 図６（Ａ）は従来のトリポード型等速自在継手を一部破断した正面図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）の継手の要部横断面図である。 図６の継手の一部破断した正面略図である。 図７の継手のローラ転がり状態を示す斜視図である。 図９（Ａ）は他の従来のトリポード型等速自在継手の要部の概略を示す側面図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）の継手の作動角運転時の要部の概略を示す側面図である。 図１０（Ａ）はこの発明の前提となるトリポード型等速自在継手の一部破断正面図、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の継手の部分横断面図である。 図１１（Ａ）は図１０の継手の部分拡大図、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）の平面図である。

符号の説明

１ 外輪
２ トラック溝
３ ローラ案内面
４ トリポード部材
５ 脚軸
ｍ1 真球面
ｍ2 中間曲面
ｍ3 円筒面
ｍ4 円周面
ｍ5 楕円面
ｍ6 トーラス面
６ 転動体
７ ローラ
ｎ 円筒内周面

Claims (2)

1. 外輪の内周に外輪軸方向に形成された３本のトラック溝に、トリポード部材の３本の脚軸に転動体を介して回転可能に外嵌したローラを、トラック溝の両側の外輪軸方向のローラ案内面に係合させたトリポード型等速自在継手において、上記脚軸の横断面を、短軸が負荷側を向くと共に長軸が非負荷側を向いた楕円とし、前記楕円は、脚軸の軸線に垂直な全ての断面において楕円量を同一とし、上記脚軸の縦断面における外周面の形状を、脚軸の軸方向両端側に位置し脚軸の軸線上に中心を持つ真円の一部を構成する円弧と、前記円弧の間に位置し前記円弧と滑らかに連なった前記円弧の曲率半径よりも大きな曲率半径の曲線との組合せで形成したトリポード型等速自在継手。
2. 上記曲線を、曲率半径を無限大とした場合に相当する直線とした請求項１のトリポード型等速自在継手。

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