JP5128423B2

JP5128423B2 - バイポッド自在継手

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Publication number: JP5128423B2
Application number: JP2008228388A
Authority: JP
Inventors: 明夫坂口; 光正栗木; 浩司山口
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2028-09-05
Also published as: JP2010060101A

Description

この発明はバイポッド自在継手に関し、例えばエンジン排気装置の排気バルブ開閉駆動系に利用することができる。

特許文献１にはプランジング型２ポッド継手が記載されている。特許文献１の第１図〜第３図に対応する図８〜図１０を参照して説明すると次のとおりである。この継手はアウタメンバ１０１と、インナメンバ１１３と、シャフト１１４と、ブーツ１１９を主要な構成要素としている。

アウタメンバ１０１は、インナメンバ１１３を受容するための外筒１０２を有し、その一方の端部には他部材と連結するためのフランジ１０３が形成してあり、もう一方の端部にはフランジ１０８が形成してある。外筒１０２は内孔１０４を有し、内孔１０４はフランジ１０８側で開口し、フランジ１０３側では閉じている。

図９および図１０からよく分かるように、内孔１０４は、大きく面取りした開口縁１０６ａをもった中心孔１０６と一対の側孔１０５とからなっている。中心孔１０６も側孔１０５も部分円筒形状で、軸線は互いに平行である。中心孔１０６の両側に一対の側孔１０５を連続的に、言い換えれば連通させて、設けてある。

外筒１０２の横断面形状は概略長円形の異形であるため、その外周に直接ブーツを装着しようとしても所要のシール性能を得るのは困難である。そのため、外筒１０２の開口端部の外周に円形フランジ１０８が一体的に形成してあり、その外周に環状突条１０９および環状平滑面１１０が形成してある。なお、フランジ１０３には他部材とボルトで締結するため複数の貫通孔１０７が形成してある。

図９に示すように、インナメンバ１１３は、シャフト１１４と、スパイダ１１６と、転動体１１８とを主要な構成要素としている。スパイダ１１６はでシャフト１１４の端部にスプライン１０４ａにより結合して、スナップリング１１５で抜け止めがしてある。スパイダ１１６はシャフト１１４の軸線に対して直角に延びる端部を有し、各端部にスリーブと針状ころ１１７を介して転動体１１８が装着してある。

スパイダ１１６の中間部１１６ａは部分球面状の外周面を有し、内孔１０４の中心孔１０６に受容されている。したがって、スパイダ１１６は中心孔１０６の軸線方向には自由に移動可能であるが、軸線方向と直交する平面内では移動不能である。また、球面状の転動体１１８は部分円筒形状の側孔１０５にがたが生じないように受容されている。したがって、シャフト１１４は、アウタメンバ１０１に対して軸線方向に移動可能であり、しかも、アウタメンバ１０１に対して傾くことも可能である。このようにして、インナメンバ１１３、１１６とアウタメンバ１０１とは、互いにトルク伝達可能でありながら、軸線方向に移動自在で、しかも互いに傾くことが可能であるといったプランジング型２ポッド継手を構成している。

フランジ１０８の外周に設けた環状平滑面１１０には蛇腹式のブーツ１１９の大径端がブーツバンド１２１により固定され、ブーツ１１０の小径端が同じくブーツバンド１２０によりシャフト１１４に固定されている。フランジ１０８の外周に設けた環状突条１０９は、シール効果を確実にするとともに、ブーツ１１９の脱落を防止する働きをする。外筒１０２の内部には潤滑グリースが充填してあるが、外筒１０２のフランジ１０８の外周にはブーツ１１９の大径端がブーツバンド１２１により固定されているため、グリースが外部に洩れることがなく、また、外部から異物が侵入することもない。

ところで、特許文献２には次のようなエンジンの排気装置が記載されている。すなわち、例えば６気筒エンジンの場合、排気通路は上流管（排気マニホルド）６本を２本の中流管を経て１本の最終の合流管に集合するようになっている。そして、２本の中流管同士を連結する上下複数の連通管があり、この連通管内に、各々開閉可能なバルブと、バルブ同士を連結する１本のバルブリンクロッドと、バルブリンクロッドと連結してバルブの開閉操作を行うアクチュエータとが設けてある。

これは、２本の中流管に上下複数の連通管を設けることで、低中速域のトルク向上や高速域の背圧増大防止などエンジンの吸排気を効率よく行うことを目的としたものである。
特開昭６１−１７１９２３号公報特開２００７−２４７５４６号公報

従来の技術では、バルブの開閉駆動用にバルブリンクロッドを使用している。バルブリンクロッドは文字どおり棒線であり、棒線の弾性たわみだけで自在性はほとんどない。このため、例えばバルブの開閉をコントロールするアクチュエータとバルブはほぼ同一直線上に位置していなければならないなど、排気装置の設計レイアウトの自由度が制約される。さらに、走行中のピッチング、ローリング、ヨーイングといった車体の動きやエンジンの影響による排気管の熱膨張、収縮に伴う角度や軸方向の変位を許容できない、といった問題がある。

この発明の目的は、上述の問題点を除去して、コンパクトでシンプルかつ安価な自在継手を提供することにある。また、この発明は、エンジン排気装置の排気バルブ開閉駆動系に利用できる自在継手を提供することを目的とする。

一般に自在継手としてはクロスジョイント（十字軸継手またはカルダンジョイントなどと呼ばれることもある）や等速ジョイントなどが知られているが、これらは針状ころやボールなどの転動体を用いることから、部品点数が多く、しかもコンパクトなほど作り勝手の面で高コストになるという欠点がある。

この発明は、トルク伝達部材としての転動体をなくしてトラニオンとハウジングが直接接してトルクを伝達するようにすることで課題を解決したものである。
すなわち、この発明のバイポッド自在継手は、断面が部分円形状の中心孔と断面がＵ字形状の一対の側孔を有し原動軸または従動軸と接続するハウジングと、外周面が部分球面状のハブと前記ハブの球面中心を通る同一軸線上にある外周面が円筒形状の一対のトラニオンを有し従動軸または原動軸と接続するスパイダを具備し、前記中心孔に前記ハブを収容させ、前記側孔に前記トラニオンを収容させるとともに前記側孔の底面との間にすきまを設け、前記トラニオンを直接、前記ハウジングと接触させた、エンジン排気装置の排気バルブ開閉駆動用のバイポッド自在継手である。

ハウジングの中心孔はハウジングの軸心上に位置し、一対の側孔は中心孔の両側に配置してあり、中心孔と側孔は互いに平行である。ハウジングの軸線に垂直な断面で見ると、Ｕ字形状の側孔は、あたかも中心孔を半径方向外側に向かってハウジングの外径近くまで膨出させたような形状を呈している。そして、Ｕ字形状の側孔の互いに向かい合った側壁に平面トラックを形成させることができる（請求項２）。

スパイダとハウジング、とりわけトラニオンと平面トラックに、塩浴軟窒化処理により窒化層を設けてもよい（請求項３）。窒化層の厚さは０．０１ｍｍ以上とするのが好ましい。窒化層の表面硬さはＨｖ５００以上とするのが好ましい（請求項４）。周知のとおり、窒化層の厚さ（または深さ）および表面硬さは処理時間等によってコントロールできる。

トラニオンの外周面にジャーナル径ｄの４〜１０倍程度の曲率を持たせてもよい（請求項５）。これにより、トルク伝達時、ハウジングのトラックにエッジロードが発生するのを防止することができる。接触点の安定という観点からは曲率は小さいほうが好ましいため、接触点の安定とエッジロード低減を勘案すると、ジャーナル径の４〜１０倍程度の曲率が好ましい。

スパイダをシャフト（従動軸または原動軸）と接続するほか、スパイダとスタブシャフトをピンにより結合し、スタブシャフトを従動軸または原動軸と接続するようにしてもよい（請求項６）。

バイポッド自在継手は２個１組で使用することもできる（請求項７）。連結すべき２軸の交点が定まっている場合は１個のバイポッド自在継手でも対応できるが、２軸の交点が定まらない場合や、２軸が平行で交差しない場合などに２個１組で使用することができる。

この発明のバイポッド自在継手はエンジン排気装置の排気バルブ駆動系に適用するが、例えば、上流側バルブと下流側バルブを連結するロッドとアクチュエータとの間に介在させる（請求項８）。あるいは、上流側バルブと下流側バルブとの間に介在させてもよい（請求項９）。さらに、これらの両方に設けることもできる。

この発明によれば、コンパクトでシンプルかつ安価なバイポッド自在継手を提供することができる。
そして、この発明のバイポッド自在継手を排気バルブの開閉装置に使用することで、排気装置全体の設計レイアウトの自由度が高まる。また、走行中の車体の動きやエンジンの影響による排気管の熱膨張、収縮に伴う角度や軸方向の変化を吸収できる。

以下、図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。まず、バイポッド自在継手の実施例について述べ、そのうえでエンジン排気装置の駆動系に適用した実施例について述べる。

図１に示すバイポッド自在継手Ｊは、アウタメンバとしてのハウジング１０と、インナメンバとしてのスパイダ２４およびスタブシャフト３４と、ブーツ４８とを主要な構成要素とし、別体のトルク伝達要素を廃止して、アウタメンバとインナメンバとの間で直接、トルクを伝達させるようにしている。つまり、この実施例は、部品点数が少なく、コンパクトで、しかも造り易く安価なものにするため、ハウジング１０、スパイダ２４、スタブシャフト３４、スパイダ２４とスタブシャフト３４を結合するピン４６、ブーツ４８、ブーツクリップ大５４、ブーツクリップ小５６の７つの部品だけで構成されている。以下により具体的に述べる。

ハウジング１０は段付き円筒形状で、大径側に中心孔１２と側孔１４とからなる内孔が形成してある。図２からよく分かるように、中心孔１２は部分円筒形状で、ハウジング１０の軸心部に位置している。側孔１４は断面Ｕ字形で、中心孔１２の両側に、中心孔１２と平行に延びている。各側孔１４の互いに向かい合った平行な側壁はストレートな平面状のトラック１６を提供する。ハウジング１０の大径側の外周面には端部寄りの位置にブーツ溝１８が形成してある。

ハウジング１０の小径側には軸心部に連結軸を受容するための丸孔２０が形成してある。また、丸孔２０と直交する方向に貫通したピン孔２２が形成してある。

スパイダ２４はボス２６と一対のトラニオン３２からなる。ボス２６は部分球面状の外周面を有し、軸心部にはスタブシャフト３４の軸部３６とはめあわせるための貫通孔２８が形成してある。また、貫通孔２８と直交する向きに、ピンを通すための貫通孔３０が形成してある。一対のトラニオン３２は同一軸線上にあり、その軸線はボス２６の球面中心を通り、貫通孔２８と直交している。

トラニオン３２の外周面は円筒形状で、図示するように端面も球面状とするのが好ましい。トラニオン３２の付け根部分には環状の溝を切って、外周面を加工する際の逃がしを設けるのが好ましい。トラニオン３２はハウジング１０の側孔１４に受容され、トラック１６と接する。

図３に示すように、トラニオン３２の外周面に曲率を付与してもよい。曲率半径Ｒは、ジャーナル径をｄとしたとき、４ｄ≦Ｒ≧１０ｄの範囲が好ましい。これにより、トルク伝達時、ハウジング１０のトラック１６にエッジロードが発生するのを防止することができる。なお、図３の一点鎖線は、トラニオン３２の軸線と直交する、トラニオン３２のピッチ円の接線を表している。

ハウジング１０の少なくともトラック１６およびスパイダの少なくともトラニオンに、比較的低温で短時間に処理できる塩浴軟窒化処理を施して窒化層を設けるのが好ましい。塩浴窒化処理は、タフトライド、イソナイトなどの商品名で知られている。窒化層の厚さは０．０１ｍｍ以上とするのが好ましい。また、窒化層の表面硬さはＨｖ５００以上とするのが好ましい。ハウジング１０およびスパイダ１６の材料に関しては、鉄系の材料なら特に制限はない。具体例を挙げるならば、冷間圧造によってネットシェイプに成形する場合、冷間成形性のよい０．１５Ｃｗｔ％前後の低炭素鋼を使用することが考えられる。

窒化層は化合物層と拡散層から構成されており、測定方法にはＪＩＳＧ０５６２にも規定されているように、金属組織試験による方法と硬さ試験による方法とがあるが、上記の値は硬さ測定による方法で測定したものである。硬さ測定による方法は、検体断面の硬さ推移曲線を作成し、その曲線から窒化層深さまたは実用硬化層深さを測定するものである。硬さ測定はマイクロビッカース硬さ試験によって行い、測定荷重は０．９８０７Ｎである。窒化層深さとは、窒化層の表面から窒化層と生地の物理的または化学的性質の差異が区別できない点に至るまでの距離をいい、化合物層と拡散層の和である。実用窒化層深さとは、窒化層の表面から、生地のビッカース硬さまたはヌープ硬さ値より５０高い硬さの点に至るまでの距離をいう。

ブーツ４８の材料としては、エンジンの熱影響を考慮して耐熱アクリルゴムを採用することができるが、これよりも高価な、耐熱性をもったシリコーンゴムやフッ素ゴムを用いてもよい。

図１は、ハウジング１０と相手部材、スタブシャフト３４と相手部材を、はめ合わせてピンで結合する場合の例であるが、これに代えて、フランジを設けてボルトで締結するようにしてもよい。

上述のバイポッド自在継手の用途の一例を説明するため、図５にエンジン排気装置の全体構成を示す。図５のバルブ８４、８６部分を拡大して模式的に示したのが図６である。

図５に示す排気装置は、Ｖ型６気筒のエンジン７０からの排気を排出するものであり、エンジン７０の左右のバンクにはシリンダ７２が３つずつ並んでいる。そして、各シリンダ７２には排気マニホルド７４が接続してあり、シリンダ７２から出た排気マニホルド７４は、左右ごとに３本ずつまとめて２本の上流管７６に接続してある。なお、Ｖ型６気筒エンジンは単に例示にすぎず、例えばＶ型８気筒エンジンの排気マニホルドを４本ずつまとめて２本の管路に接続してもよく、また直列４気筒エンジンの排気マニホルドを２本ずつまとめて２本の管路に接続してもよい。

それぞれの上流管７６は、例えば触媒コンバータ９４を介して中流管７８に接続してある。触媒コンバータ（三元触媒）９４は、エンジン７０の排気ガスに含まれる一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物等の有害物質を、二酸化炭素、水、窒素等の無害な物質に変える機能を有する。なお、触媒コンバータ９４は、図５に示す位置よりも下流側の中流管７８の途中等に設けるようにしてもよい。

２本の中流管７８は互いにほぼ平行で比較的接近させて配置してあり、下流側で合流して１本の合流管９２となる。合流管９２は下流側でマフラ９６に接続してあり、マフラ９６で消音された排気は車両等の外部に排出される。

中流管７８の合流部の上流側には、２本の中流管７８同士を連通させる連通管８０、８２が設けてある。これらの連通管８０、８２は２本の中流管７８とほぼ直交しており、上流側の連通管８０と下流側の連通管８２は互いにほぼ平行である。なお、図示例のように中流管７８の途中に２本の連通管８０、８２を設けるほか、３本以上の連通管を設けることもできる。

上流側の連通管８０の内部にはバルブ８４が設けてあり、下流側の連通管８２の内部にはバルブ８６が設けてある。これらのバルブ８４、８６は、例えば平板状で、開いている状態では排気が連通管を通過するのを許容し、閉まっている状態では排気が連通管を通過するのを阻止する。

また、バルブ８４、８６は、１本のバルブリンクロッド９０で連結してあり、そのバルブリンクロッド９０は電動モータその他の適当なアクチュエータ８８によって回転駆動される。アクチュエータ８８は、バルブリンクロッド９０をその中心軸を回転軸として回転させ、バルブリンクロッド４０の回転に伴ってバルブ８４、８６が回転し、開閉する。例えば、図５では、バルブリンクロッド９０が回転して、上流側のバルブ８４が開き、下流側のバルブ８６が閉じた状態を示している。

ここで、中流管７８に設けた２本の連通管の作用について説明すると次のとおりである。上流側バルブ８４および下流側バルブ８６がともに閉じた状態では、排気の圧力波が中流管７８の合流部で向きを反転させられてエンジン７０の排気バルブ（図示せず）に向かう負圧波となる。これは、上記合流部で管路の断面積が大きくなるためである。この負圧波がエンジン７０の排気バルブに到達するタイミングと、エンジン７０のピストン（図示せず）が上死点に達するタイミングが一致すると、負圧波がシリンダ７２内の燃焼ガスを排気ポートから効率よく吸い出し、吸気ポート（図示せず）からシリンダ７２内に流入する空気の量を増大させ、結果的に吸気効率を増大させる。

しかし、エンジンの回転数が上がるにつれて負圧波がエンジン７０の排気バルブに戻るタイミングを早くする必要がある。このため、エンジンの回転数が上がるのに伴って、順次、下流側バルブ８６、上流側バルブ８４を開いて排気の圧力波が反転して負圧波となる位置を調整する。例えば、図５に示す状態では、バルブ８４が開いているため上流側の連通管８０の部分で管路の断面積が大きくなり、排気の圧力波が上流側の連通管８０で反転させられてエンジン７０の排気バルブに向かう負圧波となる。これは、例えばエンジン７０の回転数が高い場合である。このように、エンジン７０の回転数に応じて排気の圧力波の伝播経路の長さを調節することで、エンジン７０の吸排気効率を向上させることが可能となる。

上流側連通管８０のバルブ８４、下流側連通管８２のバルブ８６を開閉操作する駆動系において、バルブ８４、８６同士をバルブリンクロッド９０で連結し、その端部とアクチュエータ８８とを連結する自在継手９８に、上述の図１のバイポッド自在継手Ｊを使用することができる。この場合、例えば、ハウジング１０の軸孔２０にアクチュエータ８８の出力軸を挿入してピンで結合する。また、スタブシャフト３４の軸孔４０にバルブリンクロッド９０の端部を挿入してピンで結合する。

また、図４に示すように、バイポッド自在継手Ｊ_１、Ｊ_２を２個１組で使用することもできる。この場合、バイポッド自在継手Ｊ_１、Ｊ_２のスタブシャフト３４の軸孔４０に連結軸６０を挿入してピン６６で結合する。そして、一方のバイポッド自在継手Ｊ_１のハウジング１０の軸孔２０にアクチュエータ８８の出力軸６２を挿入してピン６４で結合する。また、もう一方のバイポッド自在継手Ｊ_２のハウジング１０の軸孔２０にバルブリンクロッド９０の端部５８を挿入してピン６４で結合する。

さらに、図７に示すように、上流側連通管８０のバルブ８４と下流側連通管８２のバルブ８６をバイポッド自在継手１００を使用して連結してもよい。この場合の自在継手１００にも、図１のバイポッド自在継手Ｊまたは図４のバイポッド自在継手Ｊ_１、Ｊ_２を使用することができる。

この用途では、周辺温度がmax１２０℃程度になり、バルブ８４、８６を開閉する回転角度が０°→９０°→０°と繰り返し変化するものであることから、角度付与と、熱による膨張／収縮に伴う軸方向伸縮の自在性といった機能が要求される。ここに図示し、かつ上に述べたバイポッド自在継手Ｊ、Ｊ_１、Ｊ_２は、これらの要求を十分に満足することができる。

実施例を示すバイポッド自在継手の縦断面図であって図２のＩ−Ｉ断面図に相当する。図１の継手の横断面図である。トラニオンの拡大図である。２個１組で使用する実施例の縦断面図である。エンジン排気装置の模式的平面図である。図５におけるバルブ部分の模式的斜視図である。別の実施例を示すエンジン排気装置の模式的図である。従来の技術を示す２ポッド継手の縦断面図である。図８の継手の横断面図である。図８の継手におけるアウタメンバの斜視図である。

符号の説明

１０ハウジング
１２中心孔
１４側孔
１６平面トラック
１８ブーツ溝
２０軸孔
２２ピン孔
２４スパイダ
２６ボス
２８貫通孔
３０ピン孔
３２トラニオン
３４スタブシャフト
３６軸部
３８ピン孔
４０軸孔
４２ピン孔
４４ブーツ溝
４６ピン
４８ブーツ
５０大径端部
５２小径端部
５４ブーツクリップ大
５６ブーツクリップ小
５８連結軸
６０連結軸
６２連結軸
６４ピン
６６ピン
７０エンジン
７２シリンダ
７４排気マニホルド
７６上流管
７８中流管
８０連通管（上流側）
８２連通管（下流側）
８４バルブ
８６バルブ
８８アクチュエータ
９０ロッド
９２下流管
９４触媒コンバータ
９６マフラ

Claims

断面が部分円形状の中心孔と断面がＵ字形状の一対の側孔を有し原動軸または従動軸と接続するハウジングと、外周面が部分球面状のハブと前記ハブの球面中心を通る同一軸線上にある外周面が円筒形状の一対のトラニオンを有し従動軸または原動軸と接続するスパイダを具備し、前記中心孔に前記ハブを収容させ、前記側孔に前記トラニオンを収容させるとともに前記側孔の底面との間にすきまを設け、前記トラニオンを直接、前記ハウジングと接触させた、エンジン排気装置の排気バルブ開閉駆動用のバイポッド自在継手。
前記側孔の互いに向かい合った側壁に平面トラックを形成した請求項１のバイポッド自在継手。
前記トラニオンと前記平面トラックに塩浴軟窒化処理により０．０１ｍｍ以上の窒化層を設けた請求項２のバイポッド自在継手。
前記窒化層の表面硬さをＨｖ５００以上とした請求項３のバイポッド自在継手。
前記トラニオンの外周面にジャーナル径ｄの４〜１０倍の曲率を持たせた請求項１から４のいずれか１項のバイポッド自在継手。
前記スパイダとスタブシャフトをピンにより結合し、スタブシャフトを従動軸または原動軸と接続する請求項１から５のいずれか１項のバイポッド自在継手。
２個１組で使用する請求項１から６のいずれか１項のバイポッド自在継手。
上流側バルブと下流側バルブを連結するロッドとアクチュエータとの間に介在させた請求項１から７のいずれか１項のバイポッド自在継手。
上流側バルブと下流側バルブとの間に介在させた請求項１〜７のいずれか１項のバイポッド自在継手。