JP5220480B2 - 固定型等速自在継手 - Google Patents

Description

本発明は、固定型等速自在継手に関し、詳しくは、自動車や各種産業機械の動力伝達系において使用されるもので、駆動側と従動側の二軸間で角度変位のみを許容する固定型等速自在継手に関する。

例えば、自動車のエンジンから車輪に回転力を等速で伝達する手段として使用される等速自在継手の一種に固定型等速自在継手がある。この固定型等速自在継手は、駆動側と従動側の二軸を連結してその二軸が作動角をとっても等速で回転トルクを伝達し得る構造を備えている。一般的に、前述した固定型等速自在継手としては、特許文献１や特許文献３等に記載されているように、バーフィールド式（ＢＪ）やアンダーカットフリー式（ＵＪ）が広く知られている。

例えば、アンダーカットフリー式（ＵＪ）の固定型等速自在継手は、図４に示すように内径面１に複数の案内溝２が円周方向等間隔に軸方向に沿って形成された外側継手部材としての外輪３と、外径面４に外輪３の案内溝２と対をなす複数の案内溝５が円周方向等間隔に軸方向に沿って形成された内側継手部材としての内輪６と、外輪３の案内溝２と内輪６の案内溝５との間に介在してトルクを伝達する複数のボール７と、外輪３の内径面１と内輪６の外径面４との間に介在してボール７を保持するケージ８とを備えている。ケージ８には、ボール７が収容される窓部９が周方向に沿って複数配設されている。

外輪３の案内溝２の溝底は、開口側のストレート部２ａ（外輪３の軸線方向と平行な直線部）と、奥側の円弧部２ｂとからなる。内輪６の案内溝５の溝底は、開口部側の円弧部５ａと、奥側のストレート部５ａ（内輪６の軸線方向と平行な直線部）とからなる。

この場合、外輪３の案内溝２の中心Ｏ１が内径面１の球面中心Ｏ３に対して、内輪６の案内溝５の中心Ｏ２が外径面４の球面中心Ｏ４に対して、それぞれ、軸方向に等距離Ｆだけ反対側にオフセットされている。

また、バーフィールド式（ＢＪ）の固定型等速自在継手は、図５に示すように、内径面１１に複数の案内溝１２が円周方向等間隔に軸方向に沿って形成された外側継手部材としての外輪１３と、外径面１４に外輪１３の案内溝１２と対をなす複数の案内溝１５が円周方向等間隔に軸方向に沿って形成された内側継手部材としての内輪１６と、外輪１３の案内溝１２と内輪１６の案内溝１５との間に介在してトルクを伝達する複数のボール１７と、外輪１３の内径面１１と内輪１６の外径面１４との間に介在してボール１７を保持するケージ１８とを備えている。ケージ１８には、ボール１７が収容される窓部１９が周方向に沿って複数配設されている。

この場合、外輪１３の案内溝１２及び内輪１６の案内溝１５の溝底は、それぞれ円弧部のみからなる。内輪１６の案内溝１５の曲率中心Ｏ２および外輪１３の案内溝１２の曲率中心Ｏ１は、継手中心Ｏに対して等距離ｋ、ｋだけ軸方向に逆向きにオフセットされている。

一般に、自動車用でその前輪のタイヤを駆動するために使用される固定型等速自在継手(タイヤ側の等速自在継手)は、直進状態での作動角は低く設定されている(０〜１０deg程度)。自動車が旋回する場合には、操舵角に応じて大きな作動角をとる。一般の自動車の使用状況から考えれば、大きな操舵を必要とする場面(車庫入れ、交差点等)の頻度は少なく、大半は直線状態＝低作動角で使用されている。よって、低作動角での固定型等速自在継手の効率(摩擦による損失)を改善することで、自動車の燃費向上が期待出来る。

固定型等速自在継手の効率改善に関しては、図８に示すように、小径のボール１７を使用するとともに、トラックオフセット量ｋ´（ｋ´＜ｋ）を小とすることにより、高効率・コンパクトな固定型等速自在継手を実現する方法がある（特許文献１及び特許文献２）。このように、小径ボール・小トラックオフセットを採用することで、内輪１６とボール１７・外輪１３とボール１７の移動距離の差が少なくなり、ボール１７と外輪１３の案内溝１２間でのすべり速度が減少し、効率が向上する。

すなわち、図５に示す等速自在継手と、図８に示すように小トラックオフセット化したものとを比較した場合、図８に示す等速自在継手では、ボール１７の挟み角がβであり、図８に示す等速自在継手では、ボール７の挟み角が挟み角βよりも小さいβ´となる。ボール１７を軸方向に押し出す力は、図６と図９に示すように、ＦからＦ´のように減少する。ボール１７を軸方向に押す力の減少により、ボール１７によってケージ１８が内外輪の球面に押し付けられる力、即ち、球面力が減少し、接触部の摩擦損失が少なくなって効率が向上する。

図７は図５に示す等速自在継手が作動角（４０ｄｅｇ）をとった場合を示し、図１０は図８に示す等速自在継手が作動角（４０ｄｅｇ）をとった場合を示し、ラインＬ１は外輪１３とボール１７との接触点の軌跡であり、ラインＬ２は内輪１６とボール１７との接触点の軌跡である。

ところで、図５はボール１７が６個の場合であり、図８はボールが８個の場合であり、これらの場合の接触点軌跡の長さ等を比較し、その結果を次の表３に記載した。

この表３から分かるように、８個ボールに比べて６個ボールは、接触点軌跡の長さが長いことが分かる。
特開平９−３１７７８４号公報 特開２００３−４０６２号公報

小径ボール、小オフセットの構造を採用すれば、等速自在継手の効率を改善することは可能であるが、強度面とのバランスを考慮すると設計に限界がある。すなわち、次の（ア）（イ）の背反する特徴が現れる。

（ア）ボール径およびオフセット（トラックオフセット）を小さくするほど、効率は向上する。しかしながら、ボール径を小さくしすぎると、それに対応する案内溝が浅くなり、大トルク入力時に、ボールが案内溝肩部に乗り上げ易くなり、高角時の強度が低下する。（イ）オフセットを極端に小さくすれば、ボールに発生する挟み角が小さくなり、結果、ボールをコントロールする力が不足し、作動時の引っ掛かり等の作動不良が生じる。

このように、従来の固定型等速自在継手では、ボール小径化や小オフセット化は、強度、作動性、効率の三者間のバランスをとりながら設計する必要があり、設計性に劣っていた。

ところで、トラックオフセットとは、前記したように、外・内輪の各球面中心から案内溝中心距離を現している。前記特許文献１，２では、図４に示すように、このオフセットをＦとし、外輪３の案内溝２の中心Ｏ１または内輪６の案内溝５の中心Ｏ２とボール７の中心Ｏ５とを結ぶ線分の長さをＰＣＲとしたときの比をＲ１（Ｆ／ＰＣＲ）とした場合に、Ｒ１＝０．０６９〜０．１２１の範囲に設定している。

また、前記特許文献１では、保持器（ケージ）８の外・内球面の芯位置を継手中心（ボール中心）Ｏに対して、軸方向に向かって等距離互いにオフセットさせるものである。このオフセット量ｆのファクタをＲ２（ｆ／ＰＣＲ）とし、この範囲を、Ｒ２＝０〜０．０５２の範囲に設定している。

ところで、トラックオフセット量が大きすぎると、トラック溝が浅くなり、高作動角域において、許容負荷トルクが低下し、また、保持器の柱が細くなり、保持器の強度が低下する。逆に、トラックオフセット量が小さすぎると、トラック荷重の増加により、耐久性の低下を招き、さらには最大作動角が低下する。このように、トラックオフセット量は、過大・過小いずれでも好ましくなく、最適範囲が存在する。

オフセット量の最適範囲は継手の大きさによって変わるので、継手の大きさを表す基本寸法との関係において求める必要がある。そこで、前記特許文献では、比Ｒ１（＝Ｆ／ＰＣＲ）を用い、０．０６９≦Ｒ１≦０．１２１とするのが、許容負荷トルクの確保、保持器強度の確保、トラック荷重の低減、耐久性の確保、最大作動角の確保の点から、最適範囲であるとしている。

このように、特許文献１、２に記載のものであっても、必要強度を確保しつつ耐久性を有した効率性の高いものを提供できることが可能である。しかしながら、継手負荷容量を大きくする（トラック溝深さを深くする）ためには、前記特許文献に記載のものよりもトラックオフセットを小さくする必要がある。ところが、このようにトラックオフセットを小さくすると、前記（イ）の理由から継手の作動性が悪化するおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みて、継手効率に影響を与える「ボールを軸方向に押し出す力」を大きくすることなく、従来品よりもボール溝深さを確保でき、かつ性能を向上させることが可能な固定型等速自在継手を提供する。

本発明の固定型等速自在継手は、内径面に複数の案内溝が形成された外側継手部材と、外径面に複数の案内溝が形成された内側継手部材と、前記外側継手部材の案内溝と内側継手部材の案内溝との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、ボールを保持する保持器とを備え、外側継手部材の案内溝の中心が内径面の球面中心に対して、内側継手部材の案内溝の中心が外径面の球面中心に対して、それぞれ、軸方向に等距離だけ反対側にオフセットさせたトラックオフセットタイプの固定型等速自在継手であって、トラックオフセット量をＦとし、外側継手部材の案内溝の中心と前記ボールの中心とを結ぶ線分の長さ、および、内側継手部材の案内溝の中心と前記ボールの中心とを結ぶ線分の長さを、それぞれＰＣＲとしたときのＦ／ＰＣＲであるＲ１が、０．０４５≦Ｒ１≦０．０６５の範囲で、かつ、保持器の外径面の中心とボールの中心とを結ぶ線分と、外側継手部材の案内溝の中心と前記ボールの中心とを結ぶ線分との成す角度、および、保持器の内径面の中心とボールの中心とを結ぶ線分と、内側継手部材の案内溝の中心と前記ボールの中心とを結ぶ線分との成す角度を、それぞれαｔとし、保持器の外径面の中心とボールの中心とを結ぶ線分と、継手中心とボールの中心とを結ぶ線との成す角度、および、保持器の内径面の中心とボールの中心とを結ぶ線分と、継手中心とボールの中心とを結ぶ線との成す角度を、それぞれαｃとし、αｔとαｃとを加算した角度をαとしたときのαｔ／αであるＡｓを、０．４５≦Ａｓ≦０．６５とした
ものである。

本発明によれば、トラックオフセット量を小さくし、保持器（ケージ）の外径面の球面中心および保持器（ケージ）の内径面の球面中心を、継手中心に対して互いに案内溝中心に向かって適正にオフセットすることができ、従来品と同様のトータルオフセット量を確保しつつ各案内溝の深さを深くすることができる。各案内溝の深さを深くすることによって、案内溝とボールとの接触角（例えば、３３°〜３８°）を大きくできる。しかも、保持器オフセット（ケージオフセット）をつけることによって、前記Ｒ１が小さくなったこと（トラックオフセット小）による作動性低下の影響を補うことができる。

各案内溝の溝底が円弧部とストレート部とを備えたアンダーカットフリータイプであっても、各案内溝の溝底が円弧部のみからなるツェッパタイプであってもよい。

自動車のプロペラシャフトに用いるのが好ましい。

本発明では、案内溝深さを深くすることによって、継手の負荷容量を大きくすることができ、耐久性及び強度を向上させることができる。また、案内溝とボールとの接触角を大きくすることができ、案内溝への荷重を減らすことができ、これによっても、耐久性及び強度を向上させることができる。さらに、内輪とボール、外輪とボールの移動距離の差が少なくなり、継手効率が向上する。しかも、ケージオフセットをつけることによって、前記Ｒ１が小さくなったこと（トラックオフセット小）による作動性低下の影響を補うことができる。

アンダーカットフリータイプであっても、ツェッパタイプであってもよく、種々の使用環境に対応した種々のタイプのものを構成することができる。このため、自動車のプロペラシャフトに、最適な等速自在継手を構成することができる。

以下本発明の実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。

本発明に係る固定型等速自在継手は、図１に示すように内径面２１に複数の案内溝２２が軸方向に沿って形成された外側継手部材としての外輪２３と、外径面２４に複数の案内溝２５が軸方向に沿って形成された内側継手部材としての内輪２６とを備える。そして、外輪２３の案内溝２２と内輪２６の案内溝２５とが対をなし、トルクを伝達するボール２７が外輪２３の案内溝２２と内輪２６の案内溝２５との間に介在する。外輪２３の内径面２１と内輪２６の外径面２４との間にケージ（保持器）２８が介在され、この保持器２８の周方向に沿って所定ピッチで配設された複数の窓部（ポケット）２９にボール２７が保持される。

外輪２３の案内溝２２は、開口側のストレート部２２ａ（外輪軸線と平行なストレート部）と、奥側の円弧部２２ｂとからなる。内輪２６の案内溝２５は、開口側の円弧部２５ａと、奥側のストレート部２５ｂ（外輪軸線と平行なストレート部）とからなる。このため、この固定型等速自在継手は、アンダーカットフリータイプである。

図２に示すように、外輪２３の案内溝２２の曲率中心Ｏ１を継手中心Ｏから軸方向に外輪２３の開口側にずらしている。また、内輪２６の案内溝２５の曲率中心Ｏ２を継手中心Ｏから軸方向に外輪２３の案内溝２２の曲率中心Ｏ１と反対側の奥側に等距離だけ離して設けている。

保持器２８の外径面２８ａの球面中心Ｏ３を継手中心Ｏから軸方向に開口側に僅かにずらしている。また、保持器２８の内径面２８ｂの球面中心Ｏ４を継手中心Ｏから軸方向に外径面２８ａの球面中心Ｏ３と反対側の奥側に等距離ｆだけ離して設けている。すなわち、球面中心Ｏ３のオフセット量ｆをｆｏとし、球面中心Ｏ４のオフセット量ｆをｆｉとして、ｆｏ＝ｆｉとしている。また、曲率中心Ｏ１のオフセット量Ｆ（曲率中心Ｏ１と球面中心Ｏ３との間の寸法）をＦｏとし、曲率中心Ｏ２のオフセット量Ｆ（曲率中心Ｏ２と球面中心Ｏ４との間の寸法）をＦｉとして、Ｆｏ＝Ｆｉとしている。

外輪２３の案内溝２２や内輪２６の案内溝２５は、鍛造加工のみ、又は鍛造加工後の削り加工等にて成形したゴシックアーチ状である。図３に示すように、ゴシックアーチ状とすることによって、案内溝２２、２５とボール２７はアンギュラ接触となっている。すなわち、ボール２７は、外輪２３の案内溝２２と２点Ｃ１１，Ｃ１２で接触し、内輪２６の案内溝２５と２点Ｃ２１，Ｃ２２で接触している。ボール２７の中心Ｏ５と継手中心Ｏ（図１等参照）を通る線分に対するボール２７の中心Ｏ５と各案内溝２２，２５との接触点Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２とのなす角度が、接触角α１である。各接触点Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２の接触角α１はすべて等しく、３３°〜３８°に設定されている。

図１に示すように、トラックオフセット量（オフセット量）Ｆ（Ｆｏ）と、外輪２３の案内溝２２の曲率中心Ｏ１とボール２７の中心Ｏ５とを結ぶ線分ｍｏの長さをＰＣＲ（ＰＣＲｏ）との比Ｒ１（Ｆｏ／ＰＣＲｏ）を、０．０４５〜０．０６５とする。また、トラックオフセット量（オフセット量）Ｆ（Ｆｉ）と、内輪２６の案内溝２５の曲率中心Ｏ２とボール２７の中心Ｏ５とを結ぶ線分ｍｉの長さをＰＣＲ（ＰＣＲｉ）との比Ｒ１（Ｆｉ／ＰＣＲｉ）を、０．０４５〜０．０６５とする。すなわち、ＰＣＲｏとＰＣＲｉとは同一である。

また、外輪２３の案内溝２２の曲率中心Ｏ１とボール２７の中心Ｏ５とを結ぶ線分ｍｏと、保持器２８の外径面２８ａの球面中心Ｏ３とボール２７の中心Ｏ５とを結ぶ線分ｎｏとの成す角度をαｔとし、保持器２８の外径面２８ａの球面中心Ｏ３とボール２７の中心Ｏ５とを結ぶ線分ｎｏと、継手軸心Ｏとボール２７の中心Ｏ５とを結ぶ線Ｌとの成す角度をαｃとし、これらの角度を加算した角度をαとしたときに、Ａｓ（αｔ／α）を０．４５〜０．６５とする。内輪２６の案内溝２５の曲率中心Ｏ２とボール２７の中心Ｏ５とを結ぶ線分ｍｉと、保持器２８の内径面２８ｂの球面中心Ｏ４とボール２７の中心Ｏ５とを結ぶ線分ｎｉとの成す角度をαｔとし、保持器２８の内径面２８ｂの球面中心Ｏ４とボール２７の中心Ｏ５とを結ぶ線分ｎｉと、継手軸心Ｏとボール２７の中心Ｏ５とを結ぶ線Ｌとの成す角度をαｃとし、これらの角度を加算した角度をαとしたときに、Ａｓ（αｔ／α）を０．４５〜０．６５とする。

なお、前記特許文献、つまり図４に示すものでは、Ｆ／ＰＣＲは、０．０６９〜０．１２１である。また、ｆ／ＰＣＲは、０〜０．０５２であり、これからＡｓ（αｔ／α）を０．６６〜１．００となる。

本発明によれば、トラックオフセット量を小さくし、保持器（ケージ）２８の外径面２８ａの球面中心Ｏ３および保持器（ケージ）２８の内径面２８ｂの球面中心Ｏ４を、継手中心Ｏに対して互いに案内溝中心Ｏ１，Ｏ２に向かって適正にオフセットすることができ、従来品と同様のトータルオフセット量を確保しつつ各案内溝２２，２５の深さを深くすることができる。このように、各案内溝２２，２５の深さを深くすることによって、案内溝２２，２５とボール２７との接触角（例えば、３３°〜３８°）α１を大きくできる。これによって、継手の負荷容量を大きくすることができ、耐久性及び強度を向上させることができる。また、案内溝２２、２５とボール２７との接触角を大きくすることができ、案内溝２２、２５への荷重を減らすことができ、これによっても、耐久性及び強度を向上させることができる。しかも、保持器オフセット（ケージオフセット）をつけることによって、前記Ｒ１が小さくなったこと（トラックオフセット小）による作動性低下の影響を補うことができる。さらに、内輪２６とボール２７、外輪２３とボール２７の移動距離の差が少なくなり、継手効率が向上する。しかも、ケージオフセットをつけることによって、前記Ｒ１が小さくなったこと（トラックオフセット小）による作動性低下の影響を補うことができる。

外輪２３の案内溝２２や内輪２６の案内溝は、鍛造加工のみ、又は鍛造加工後の削り加工等にて成形することができるので、内輪２６や外輪２３の案内溝成形は、なんら特別な成形方法によることなく簡単に行うことができる。

また、前記実施形態は、アンダーカットフリータイプの等速自在継手であったが、他の実施形態として、トラック溝の溝底が円弧部のみからなるバーフィールド式（ツェッパ式）の等速自在継手であってもよい。

このように、本発明の等速自在継手は、種々の使用環境に対応した種々のタイプのものを構成することができる。このため、自動車のプロペラシャフトに、最適な等速自在継手を構成することができる。特に、８個以上のトルク伝達ボールを備えた等速自在継手では、強度、負荷容量、及び耐久性を確保しつつ、より一層のコンパクト化、軽量化を実現することができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、等速自在継手として、継手作動角の高角化を図るために、実施形態のように、案内溝底がそれぞれ円弧部とストレート部とを備えるアンダーカットフリー型であっても、アンダーカットフリー型の直線部分がテーパー形状を呈している形状のものであってもよい。また、案内溝底がそれぞれ曲率半径が相違する複数の円弧部を備えたものであっても、外輪の案内溝の曲率中心および内輪の案内溝の曲率中心をそれぞれ継手軸線よりも径方向にオフセット（径方向のオフセット）させたものであってもよい。さらには、案内溝の周方向配設ピッチが等ピッチであっても不等ピッチであってもよく、ボール数の増減も任意である。

次の表１に示すように、Ｆ／ＰＣＲが０．０６９〜０．１２１であり、Ａｓ（αｔ／α）が０．６６〜１．００となる従来品と、Ｆ／ＰＣＲが、０．０４５〜０．０６５の範囲で、かつ、αｔ／αが、０．４５〜０．６５である本発明品との性能評価を行った。

表２にその結果を示す。この表２では、従来品に対する改善度合を数値化したものであって、数値が大きいほど、従来品よりも改善されたことを示している。

本発明の第１実施形態を示す固定型等速自在継手の断面図である。 前記固定型等速自在継手の断面図である。 前記固定型等速自在継手のボールと案内溝との関係を示す拡大断面図である。 従来の固定型等速自在継手の断面図である。 従来の他の固定型等速自在継手の断面図である。 前記図５の固定型等速自在継手のボールに作用する押圧力を示す図である。 前記図５の固定型等速自在継手の作動角をとった状態の断面図である。 従来の別の固定型等速自在継手の断面図である。 前記図８の固定型等速自在継手のボールに作用する押圧力を示す図である。 前記図８の固定型等速自在継手の作動角をとった状態の断面図である。

符号の説明

２１ 内径面
２２ 案内溝
２２ａ ストレート部
２２ｂ 円弧部
２４ 外径面
２５ 案内溝
２５ａ 円弧部
２５ｂ ストレート部
２７ ボール
２８ 保持器
２８ａ 外径面
２８ｂ 内径面

Claims (5)

1. 内径面に複数の案内溝が形成された外側継手部材と、外径面に複数の案内溝が形成された内側継手部材と、前記外側継手部材の案内溝と内側継手部材の案内溝との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、ボールを保持する保持器とを備え、外側継手部材の案内溝の中心が内径面の球面中心に対して、内側継手部材の案内溝の中心が外径面の球面中心に対して、それぞれ、軸方向に等距離だけ反対側にオフセットさせたトラックオフセットタイプの固定型等速自在継手であって、
   トラックオフセット量をＦとし、外側継手部材の案内溝の中心と前記ボールの中心とを結ぶ線分の長さ、および、内側継手部材の案内溝の中心と前記ボールの中心とを結ぶ線分の長さを、それぞれＰＣＲとしたときのＦ／ＰＣＲであるＲ１が、０．０４５≦Ｒ１≦０．０６５の範囲で、かつ、保持器の外径面の中心とボールの中心とを結ぶ線分と、外側継手部材の案内溝の中心と前記ボールの中心とを結ぶ線分との成す角度、および、保持器の内径面の中心とボールの中心とを結ぶ線分と、内側継手部材の案内溝の中心と前記ボールの中心とを結ぶ線分との成す角度を、それぞれαｔとし、保持器の外径面の中心とボールの中心とを結ぶ線分と、継手中心とボールの中心とを結ぶ線との成す角度、および、保持器の内径面の中心とボールの中心とを結ぶ線分と、継手中心とボールの中心とを結ぶ線との成す角度を、それぞれαｃとし、αｔとαｃとを加算した角度をαとしたときのαｔ／αであるＡｓを、０．４５≦Ａｓ≦０．６５としたことを特徴とする固定型等速自在継手。
2. 各案内溝とボールとの接触角を３３°〜３８°としたことを特徴とする請求項１に記載の固定型等速自在継手。
3. 各案内溝の溝底が円弧部とストレート部とを備えたアンダーカットフリータイプであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固定型等速自在継手。
4. 各案内溝の溝底が円弧部のみからなるツェッパタイプであることを特徴とする請求項１又は請求項２に固定型等速自在継手 。
5. 自動車のプロペラシャフトに用いることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の固定型等速自在継手。

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