JP5236196B2 - 摺動式等速自在継手 - Google Patents

Description

本発明は、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、例えば４ＷＤ車やＦＲ車などで使用されるプロペラシャフトやドライブシャフトに組み込まれる摺動式等速自在継手の一つであるクロスグルーブ型等速自在継手に関する。

例えば４ＷＤ車やＦＲ車などの自動車で使用されるプロペラシャフトは、トランスミッションとディファレンシャル間の相対位置変化による角度変位に対応できる構造とするためにクロスグルーブ型と称される摺動式等速自在継手を具備するものがある。

図７〜図１０はディスクタイプのクロスグルーブ型等速自在継手を例示する。この等速自在継手は、図７および図８に示すように内輪１０１、外輪１０２、ボール１０３およびケージ１０４を主要な構成要素としている。

内輪１０１は、その外周面に複数の直線状トラック溝１０６が軸方向に形成されている。また、内輪１０１の中心孔１０５にはシャフト１０７がスプライン嵌合され、そのスプライン嵌合により両者間でトルク伝達可能としている。なお、シャフト１０７は、スナップリング１０８により内輪１０１に対して抜け止めされている。

外輪１０２は内輪１０１の外周に位置し、内周面に内輪１０１のトラック溝１０６と同数の直線状トラック溝１０９が軸方向に形成されている。内輪１０１と外輪１０２の間にケージ１０４が配置され、ボール１０３はケージ１０４のポケット１１０内に収容されている。

内輪１０１のトラック溝１０６と外輪１０２のトラック溝１０９は、図９（ケージ１０４については図示省略）に示すように軸線Ｌに対して反対方向に傾斜した角度（トラック交叉角α）をなし、対をなす内輪１０１のトラック溝１０６（図中実線）と外輪１０２のトラック溝１０９（図中鎖線）との交叉部にボール１０３が組み込まれている。また、内輪１０１の隣接するトラック溝１０６同士および外輪１０２の隣接するトラック溝１０９同士は、それぞれ軸線Ｌに対して反対方向にトラック交叉角αだけ傾斜した状態に配置されている。

図１０は内輪１０１のトラック溝１０６および外輪１０２のトラック溝１０９を示す横断面図であり、同図に示すようにトラック溝１０６，１０９の横断面形状は、ボール１０３の半径よりも大きな曲率半径でブローチ加工などにより形成されたゴシックアーチ状をなす。このゴシックアーチ状としたことにより、内輪１０１のトラック溝１０６および外輪１０２のトラック溝１０９はボール１０３と二点Ｐでそれぞれ接触し、ボール接触角βを有するアンギュラ接触となっている。ここで、ボール接触角βとは、ボール１０３の中心Ｏを基準としてボール１０３とトラック溝１０６，１０９とが接触するボール接触中心Ｐとトラック溝１０６，１０９の溝底中心Ｑとのなす角度を意味する。

一方、外輪１０２の軸方向一端側（図７左側）には、継手内部に充填した潤滑剤の漏洩を防ぐと共に異物の侵入を防止するためのエンドキャップ１１１がボルト締めにより固定され、外輪１０２の軸方向他端側（図７右側）とシャフト１０７との間には密封装置が装着されている。

この密封装置はブーツ１１２と金属製のブーツアダプタ１１３とからなる。ブーツ１１２は小端部と大端部を有し、中間にてＶ字形に折り返した格好になっている。ブーツアダプタ１１３は円筒形で、一端に外輪１０２の外周面と嵌合するフランジを有し、エンドキャップ１１１と共にボルト締めにより外輪１０２に固定される。ブーツ１１２の小端部はシャフト１０７に取り付けてブーツバンド１１４で締め付けられている。ブーツ１１２の大端部はブーツアダプタ１１３の端部を加締めて保持されている。

この種の等速自在継手は、非特許文献１に開示されている。この非特許文献１には、４個以上（一般的には６個）のボール１０３を有する基本的なクロスグルーブ型等速自在継手が示されており、内輪１０１のトラック溝１０６および外輪１０２のトラック溝１０９のトラック交叉角αは、等速自在継手が最大作動角をとった時、対向するトラック溝１０６，１０９が平行にならないような角度（一般的には１３〜１９°）に設計されている。また、横断面形状がゴシックアーチをなすトラック溝１０６，１０９の溝径をボール径の１．０１〜１．０４倍とし、さらに、ボール接触角βを３０〜４５°としている。

また、前述したクロスグルーブ型等速自在継手において、内輪１０１のトラック溝１０６および外輪１０２のトラック溝１０９のトラック交叉角αは、継手の摺動ストロークにも関係しており、そのストローク量をかせぐためにはトラック交叉角αを小さくすることが有効である。

しかしながら、継手の摺動ストロークをかせぐためにトラック交叉角αを小さくすると、等速自在継手としての最大作動角が小さくなってしまう。この最大作動角とは、回転しない状態で継手を折り曲げてさらに戻す操作を行った時に、極大なトルクが作用してしまう状況が現れる角度である。最悪の場合、角度が付いたまま戻らなくなって引っ掛かる現象が発生する。このような折り曲げ時の引っ掛かりは、等速自在継手の自動車への組み付け時に問題となる。つまり、等速自在継手を自動車に組み付ける時には、一旦、折り曲げた後に戻す作業が必要になるため、作動角が小さく、折り曲げ時に引っ掛かりが生じると、等速自在継手の自動車への組み付け作業の作業性が悪い。

特許文献１では、トラック溝１０６，１０９のトラック交叉角αを１０〜１５°とし、ボール１０３の数を１０個とすることにより、継手の最大作動角が小さくならず、また、摺動ストロークをかせぐ手段が開示されている。

つまり、クロスグルーブ型等速自在継手では、ある位相にボール１０３が存在し、作動角を大きくすると、内輪１０１のトラック溝１０６と外輪１０２のトラック溝１０９との交叉部に形成されたくさび角が反転してしまい、ボール１０３からケージ１０４に作用する力のバランスが崩れ、ケージ１０４が不安定となる。

トラック溝１０６，１０９のトラック交叉角αが小さくなってくると、ボール１０３の個数が６個までの場合は、この現象が顕著に現れるが、ボール１０３の個数を１０個とした場合、トラック交叉角αが小さくなっても、ある値まではケージ１０４の駆動が安定する。これは、くさび角が反転してしまったボール１０３の駆動力を他のボール１０３が分担してケージ１０４の駆動を安定させることによる。
Universal Joint and Driveshaft Manual Section 3.2.12 "Cross Groove Universal Joint" 特開２００６−２６６４２３号公報

ところで、近年、車両の低燃費・高機能化により、等速自在継手の軽量・コンパクト化が要求されている。そのため、等速自在継手を構成する各部品の機能を損なうことなく、それら各部品の形状を最適に小さくしている。

しかしながら、等速自在継手の更なる軽量・コンパクト化を図ろうとすると、各部品間での接触力が大きくなり、発熱過大により耐久性が低下する。このクロスグルーブ型等速自在継手の構造上、潤滑性が耐久性に影響を及ぼす部品の接触部は、ボール１０３と内輪１０１のトラック溝１０６との接触部Ｘ、ボール１０３と外輪１０２のトラック溝１０９との接触部Ｙ、ボール１０３とケージ１０４のポケット１１０との接触部Ｚである（図７参照）。これらボール１０３との接触部Ｘ，Ｙ，Ｚでは、前述したように等速自在継手の軽量・コンパクト化により接触力が大きくなり、発熱過大により耐久性が低下するおそれがあった。

そこで、本発明は前述の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、ボールとの接触部における接触力が増大しても、軽量・コンパクト化および耐久性の向上を容易に図り得る摺動式等速自在継手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、本発明に係る摺動式等速自在継手は、外周面に複数の直線状トラック溝を軸線に対して傾斜させた状態で軸方向に形成した内側継手部材と、内周面に複数の直線状トラック溝を軸線に対して内側継手部材のトラック溝と反対方向に傾斜させた状態で軸方向に形成し、内部に潤滑剤を充填した外側継手部材と、内側継手部材のトラック溝と外側継手部材のトラック溝との交叉部に組み込まれた１０個のボールと、内側継手部材の外周面と外側継手部材の内周面との間に配されてボールを内側継手部材のトラック溝と外側継手部材のトラック溝との間でポケットに収容して保持するケージとを備え、トラック溝およびポケットと点接触するボールの表面に多数の微小凹部をランダムに形成し、微小凹部を形成したボールの表面粗さをＲａ０．０５〜０．１５μｍとし、ボールの表面粗さのパラメータＳＫ値を−４．９〜−１．０とし、ボールの表面積に対する多数の微小凹部の合計面積の比率を１０〜４０％とし、ボール表面の多数の微小凹部内へ侵入した潤滑剤をボールとの接触部における接触界面に介在させたことを特徴とする。

本発明では、ボールの表面に多数の微小凹部をランダムに形成したことにより、継手回転時に、ボールとトラック溝との接触部、ボールとケージのポケットとの接触部での接触力が大きくなっても、ボール表面の多数の微小凹部内へ侵入した潤滑剤が、ボールとの接触部における接触界面に介在して良好な油膜層を形成し得る。これにより、ボールとの接触部で生じる摩擦を低減させることができ、発熱が過大となることなく、耐久性の向上が図れる。

なお、前述の潤滑剤の摩擦係数は０．０７０以下とすることが望ましい。また、潤滑剤としては、稠度が０〜２号のウレアグリースを使用することが望ましい。このような潤滑剤を使用すれば、ボールとの接触部で生じる摩擦を効果的に低減させ得る。

また、多数の微小凹部を形成したボールの表面粗さをＲａ０．０５〜０．１５μｍとし、ボールの表面粗さのパラメータＳＫ値を−４．９〜−１．０とし、ボールの表面積に対する微小凹部の合計面積の比率を１０〜４０％とする。このような値に設定することにより、ボール表面の微小凹部に潤滑剤を適度に侵入させて保持することができ、ボールとの接触部で潤滑剤による油膜層を形成することが容易となる。これにより、ボールとの接触部での摩擦を効果的に低減させることが可能となる。

なお、ボールの個数、外側継手部材のトラック溝数および内側継手部材のトラック溝数は１０個である。これにより、等速自在継手の自動車への組み付け作業の作業性を改善するため、トラック交叉角が小さくなっても、ケージの駆動が安定することから、等速自在継手の作動性を向上させることができる。

本発明によれば、ボールの表面に多数の微小凹部をランダムに形成したことにより、ボールとの接触部で潤滑剤による油膜層が形成されやすく、ボールとの接触部での潤滑性が向上する。これにより、ボールとの接触部での摩擦を低減させてトルク伝達効率を向上させることが可能となる。また、ボールおよびトラック溝の転動疲労寿命を長くすることができる。その結果、等速自在継手の耐久性を向上させることができる。

図１〜図４は、本発明の実施形態で、ディスクタイプのクロスグルーブ型等速自在継手を例示する。本発明は、ディスクタイプのみならず、フランジタイプやベルタイプのクロスグルーブ型等速自在継手にも適用可能である。

また、このクロスグルーブ型等速自在継手は、ケージ４の最小内径を内輪１の最大外径よりも小さく設定することにより、ケージ４と内輪１の干渉により軸方向変位量を規制するフロートタイプと、ケージ４の最小内径を内輪１の最大外径よりも大きく設定することにより、ボール３とケージ４の干渉により軸方向変位量を規制するノンフロートタイプの二種類に大別され、両タイプはプロペラシャフトやドライブシャフトが装備される車両の特性（スライド量や負荷容量など）に応じて使い分けられている。この実施形態では、フロートタイプを例示するが、ノンフロートタイプにも適用可能である。

この実施形態の等速自在継手は、図１および図２に示すように内側継手部材である内輪１、外側継手部材である外輪２、ボール３およびケージ４を主要な構成要素としている。

内輪１は、その外周面に複数の直線状トラック溝６が軸方向に形成されている。また、内輪の中心孔５にはシャフト７がスプライン嵌合され、そのスプライン嵌合により両者間でトルク伝達可能としている。なお、シャフト７は、スナップリング８により内輪１に対して抜け止めされている。

外輪２は内輪１の外周に位置し、内周面に内輪１のトラック溝６と同数の直線状トラック溝９が軸方向に形成されている。内輪１と外輪２の間にケージ４が配置され、ボール３はケージ４のポケット１０内に収容されている。

内輪１のトラック溝６と外輪２のトラック溝９は、図３（ケージ４については図示省略）に示すように軸線Ｌに対して反対方向に角度（トラック交叉角α）をなし、対をなす内輪１のトラック溝６（図中実線）と外輪２のトラック溝９（図中鎖線）との交叉部にボール３が組み込まれている。また、内輪１の隣接するトラック溝６同士および外輪２の隣接するトラック溝９同士は、それぞれ軸線Ｌに対して反対方向にトラック交叉角αだけ傾斜した状態に配置されている。

図４は内輪１のトラック溝６および外輪２のトラック溝９の横断面図であり、同図に示すようにトラック溝６，９の横断面形状は、ボール３の半径よりも大きな曲率半径でブローチ加工などにより形成されたゴシックアーチ状をなす。内輪１のトラック溝６および外輪２のトラック溝９はボール３と二点Ｐで接触し、ボール接触角βを有するアンギュラ接触となっている。ここで、ボール接触角βとは、ボール３の中心Ｏを基準としてボール３とトラック溝６，９とが接触するボール接触中心Ｐとトラック溝６，９の溝底中心Ｑとのなす角度を意味する。

ボール３の個数、外輪２のトラック溝数および内輪１のトラック溝数は１０個としている。ボール３の個数、外輪２のトラック溝数および内輪１のトラック溝数は１０個とすることにより、等速自在継手の自動車への組み付け作業の作業性を改善するため、トラック交叉角αが小さくなっても、ケージ４の駆動が安定することから、等速自在継手の作動性を向上させることができる。

一方、外輪２の軸方向一端側（図１左側）には、継手内部に充填した潤滑剤の漏洩を防ぐと共に異物の侵入を防止するためのエンドキャップ１１がボルト締めにより固定され、外輪２の軸方向他端側（図１右側）とシャフト７との間には密封装置が装着されている。

この密封装置はブーツ１２と金属製のブーツアダプタ１３とからなる。ブーツ１２は小端部と大端部を有し、中間にてＶ字形に折り返した格好になっている。ブーツアダプタ１３は円筒形で、一端に外輪２の外周面と嵌合するフランジを有し、エンドキャップ１１と共にボルト締めにより外輪２に固定される。ブーツ１２の小端部はシャフト７に取り付けてブーツバンド１４で締め付けられている。ブーツ１２の大端部はブーツアダプタ１３の端部を加締めて保持されている。

図１に示すようにボール３と内輪１のトラック溝６の接触部Ｘ、ボール３と外輪２のトラック溝９との接触部Ｙ、およびボール３とケージ４のポケット１０との接触部Ｚ（以下、ボール３との接触部Ｘ，Ｙ，Ｚと称す）を低摩擦とすることが耐久性の向上に寄与する。

ここで、前述したボール３との接触部Ｘ，Ｙ，Ｚを低摩擦にするためには、十分な油膜層を形成し、摩擦係数を下げる必要があるが、ボール３との接触部Ｘ，Ｙ，Ｚは、トルク伝達時に大きな力が付加されることから、その面圧によって十分な油膜層が形成されない可能性がある。

従って、ボール３との接触部Ｘ，Ｙ，Ｚに潤滑剤が介入し易いように表面処理を施して、より良好な油膜層を形成させることにより、ボール３との接触部Ｘ，Ｙ，Ｚで発生する滑りによる摩擦を抑制して耐久性を向上させることが有効である。

そこで、ボール３の表面に多数の微小凹部２１（図１参照）をランダムに形成し、このボール３の表面の表面粗さ（算術的平均粗さ）をＲａ０．０３〜０．６μｍ、好ましくはＲａ０．０５〜０．１５μｍとする。また、ボール３の表面積に対する微小凹部２１の合計面積の比率を１０〜４０％とする。

また、ボール３の表面粗さのパラメータＳＫ値を−４．９〜−１．０とする。ここで、ＳＫ値とは、表面粗さの分布曲線の歪度（ＳＫＥＷＮＥＳＳ）、すなわち、表面粗さの平均線に対する凹凸の振幅分布曲線の相対性を表す値であり、表面粗さのＳＫ値は次式で表される。

ＳＫ＝∫（ｘ−ｘ₀）³・Ｐ（ｘ）ｄｘ／σ³

ここに、ｘ：粗さの高さ、ｘ₀：粗さの平均高さ、Ｐ（ｘ）：粗さの振幅の確率密度関数、σ：自乗平均粗さである。

このパラメータＳＫ値は、表面粗さの平均線に対して、振幅分布曲線の山が多いときは正、山と谷が等しいときは零、谷が多いときは負の値となる。従って、多数の微小凹部２１を形成したボール３の表面における表面粗さのパラメータＳＫ値は負の値となる。

ボール３の表面におけるＳＫ値および表面粗さＲａと、微小凹部２１の合計面積比率とをそれぞれ数値限定したものが、ボール３の表面に潤滑剤の油膜層を形成するために有効な範囲となる。

つまり、このボール３の表面の表面粗さ（算術的平均粗さ）がＲａ０．０３μｍよりも小さいと、微小凹部２１の深さが浅くなり、微小凹部２１へ潤滑剤が介入せず、耐久性向上の効果がなくなり、逆に、Ｒａ０．６μｍより大きいと、接触部におけるボール３の相手部材の耐久性を低下させる。また、ボール３の表面積に対する微小凹部２１の合計面積の比率が１０％より小さいと、微小凹部２１が少なく、良好な油膜層の形成が困難となり、耐久性向上の効果がなくなり、逆に、４０％より大きいと、相手部材との有効接触面積が少なくなり、耐久性向上の効果は少ない。さらに、ボール３の表面粗さのパラメータＳＫ値が−４．９より小さいと、加工条件上、凹部面積が多くなり、有効接触面積が減少し、耐久性向上の効果は少なく、逆に、−１．０よりも大きいと、微小凹部２１の深さが浅くなり、微小凹部２１へ潤滑剤が介入せず、耐久性向上の効果がなくなる。

これら表面粗さＲａ，ＳＫ値，微小凹部の合計面積比率の測定は、ボール表面でほぼ９０°離れた６箇所で実施し、その平均値で評価・判断する。その有効範囲の判断もこの方法に基づいている。微小凹部２１の定量的な測定を行うためには、図５に示す装置構成で測定する。取り込み方法は、位置決め装置上にボールを設置し、ボール表面を顕微鏡で拡大し、ＣＣＤカメラでその画像を画像解析装置とパーソナルコンピュータで構成される画像処理装置に取り込み、画像の白い部分は表面平坦部、黒い部分は凹部として解析する。画像の黒い部分が凹部として、大きさ・分布を計算し、その表面積比率を求めて評価する。表面検査方法の詳細については、特開２００１−１８３１２４号公報に示された方法である。

表面粗さ及びＳＫ値の測定には、測定器ホームタリサーフ（テーラーホブソン製）で測定する。測定条件として、カットオフ種別：ガウシアン、測定長さ：５λで、カットオフ数：６、カットオフ波長：０．２５ｍｍ、測定倍率：１００００倍、測定速度：０．３０ｍｍ／ｓとした。なお、ボール３の表面に多数の微小凹部２１を形成する方法としては、例えば、特殊なバレル研磨処理があるが、それ以外にショットブラスト処理等により表面加工を行ってもよい。

また、潤滑剤としては、低摩擦係数のものが好ましく、例えば、サバン式摩擦摩耗試験機を用いて、摩擦係数の上限値が０．０７の潤滑剤であることが好ましい。ここで、サバン式摩擦摩耗試験機は、図６に示すように、直径４０ｍｍ×厚さ４ｍｍの回転リング３１に１／４ｉｎｃｈの鋼球３２を圧接させたものであり、摩擦係数の測定に際しては、回転リング３１を周速１０８ｍ／ｍｉｎで回転し、荷重１２．７Ｎをかけ、回転リング３１の下端からスポンジ３３を介して回転リング３１の表面に潤滑剤を供給し、鋼球３２を支持するエアスライド３４の動きをロードセル３５で検出して摩擦係数を測定した。

潤滑剤の具体例としては、例えばウレアグリースが挙げられる。そのウレアグリースの稠度は、０〜２号とする。なお、この稠度は、０号より小さいと、シール構造が複雑になり、高速で使用された場合に遠心力により、潤滑剤切れとなり易い。また、２号より大きいと、潤滑剤の介入が困難となり、接触抵抗が大きくトルク損失の原因となる。

継手の回転時に、ボール３との接触部Ｘ，Ｙ，Ｚでの接触力が大きくなっても、ボール３の表面における多数の微小凹部２１内へ侵入した潤滑剤が、ボール３との接触部Ｘ，Ｙ，Ｚでの接触界面に介在して良好な油膜層を形成し得る。その結果、ボール３との接触部Ｘ，Ｙ，Ｚでの潤滑性が向上し、ボール３との接触部Ｘ，Ｙ、Ｚでの摩擦を低減させてトルク伝達効率を向上させることが可能となる。また、ボール３およびトラック溝６，９の転動疲労寿命を長くすることができる。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

本発明に係る摺動式等速自在継手の実施形態で、ディスクタイプのクロスグルーブ型等速自在継手の主要部構成を示す断面図である。 図１の外輪、内輪、ボールおよびケージを示す側面図である。 図２の内輪および外輪におけるトラック交叉角αを説明するための部分正面図である。 図２の内輪および外輪のトラック溝およびボールを示す軸方向中央位置での断面図である。 ボールに形成した多数の微小凹部の定量的な測定を行う測定装置の概略図である。 サバン式摩擦摩耗試験機の概略図である。 摺動式等速自在継手の従来例で、ディスクタイプのクロスグルーブ型等速自在継手の主要部構成を示す断面図である。 図７の外輪、内輪、ボールおよびケージを示す側面図である。 図８の内輪および外輪におけるトラック交叉角αを説明するための部分正面図である。 図８の内輪および外輪のトラック溝およびボールを示す軸方向中央位置での断面図である。

符号の説明

１ 内側継手部材（内輪）
２ 外側継手部材（外輪）
３ ボール
４ ケージ
６，９ トラック溝
２１ 微小凹部

Claims (3)

1. 外周面に複数の直線状トラック溝を軸線に対して傾斜させた状態で軸方向に形成した内側継手部材と、内周面に複数の直線状トラック溝を軸線に対して前記内側継手部材のトラック溝と反対方向に傾斜させた状態で軸方向に形成し、内部に潤滑剤を充填した外側継手部材と、前記内側継手部材のトラック溝と外側継手部材のトラック溝との交叉部に組み込まれた１０個のボールと、前記内側継手部材の外周面と外側継手部材の内周面との間に配されて前記ボールを内側継手部材のトラック溝と外側継手部材のトラック溝との間でポケットに収容して保持するケージとを備え、前記トラック溝およびポケットと点接触する前記ボールの表面に多数の微小凹部をランダムに形成し、前記微小凹部を形成したボールの表面粗さをＲａ０．０５〜０．１５μｍとし、前記ボールの表面粗さのパラメータＳＫ値を−４．９〜−１．０とし、前記ボールの表面積に対する前記多数の微小凹部の合計面積の比率を１０〜４０％とし、ボール表面の多数の微小凹部内へ侵入した潤滑剤をボールとの接触部における接触界面に介在させたことを特徴とする摺動式等速自在継手。
2. 前記潤滑剤の摩擦係数を０．０７０以下とした請求項１に記載の摺動式等速自在継手。
3. 前記潤滑剤をウレアグリースとし、そのウレアグリースの稠度を０〜２号とした請求項１又は２に記載の摺動式等速自在継手。

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