JP5283832B2 - 等速自在継手 - Google Patents

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本発明は、自動車や各種産業機械の動力伝達系において使用され、例えばFF車や4WD車、FR車などで使用されるドライブシャフトやプロペラシャフトに組み込まれる固定式あるいは摺動式等速自在継手に関する。
例えば、自動車のドライブシャフトは、シャフトの一方の軸端に摺動式等速自在継手を装着し、他方の軸端に固定式等速自在継手を装着した構造を具備する。
このドライブシャフトの連結用継手として使用されている摺動式等速自在継手の一つであるトリポード型等速自在継手(TJ)は、内周面に三本のトラック溝が軸方向に形成され、各トラック溝の両側にそれぞれ軸方向のローラ案内面を有する外側継手部材(外輪)と、半径方向に突出した三本の脚軸を有する内側継手部材(トリポード部材)と、その内側継手部材の脚軸と外側継手部材のローラ案内面との間に回転自在に収容された転動体(ローラ)とを主要な部材として構成される。
また、固定式等速自在継手の一つであるバーフィールド型等速自在継手(BJ)は、内球面に複数のトラック溝を円周方向等間隔に軸方向に沿って形成した外側継手部材(外輪)と、外球面に外側継手部材のトラック溝と対をなす複数のトラック溝を円周方向等間隔に軸方向に沿って形成した内側継手部材(内輪)と、外側継手部材のトラック溝と内側継手部材のトラック溝間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、外側継手部材の内球面と内側継手部材の外球面との間に介在してボールを保持するケージとを主要な部材として構成される。
これら摺動式等速自在継手あるいは固定式等速自在継手とシャフトとの連結構造には、内側継手部材の軸孔内径にシャフトの軸端を圧入する構造が採用されている。この内側継手部材の軸孔内径に軸方向に沿う凹凸として雌スプラインを形成すると共に、シャフトの軸端外径にも雄スプラインを形成する。
これら雌スプラインが形成された内側継手部材の軸孔内径と、雄スプラインが形成されたシャフトの軸端外径には、例えば高周波焼き入れあるいは浸炭焼入れにより硬化処理が施されて硬化層が形成されている。この硬化層の形成により内側継手部材の軸孔内径およびシャフトの軸端外径の強度を確保するようにしている。
シャフトの軸端外径を内側継手部材の軸孔内径に圧入して雄スプラインと雌スプラインを噛み合わせることにより、シャフトを内側継手部材に嵌合させている。このシャフトと内側継手部材のスプライン嵌合により両者間でトルクを伝達可能としている(例えば、特許文献1の図2参照)。
また、このような内側継手部材とシャフトとの連結構造では、シャフトの軸端部に取り付けられた断面丸形の止め輪を、内側継手部材に設けられた係止面に当接させることにより抜け止めとしたものがある(例えば、特許文献2参照)。
特開2003−314580号公報 特開平8−68426号公報
ところで、前述した等速自在継手の内側継手部材とシャフトとの嵌合構造では、内側継手部材の軸孔内径に硬化処理された雌スプラインを形成し、シャフトの軸端外径に硬化処理された雄スプラインを形成することにより、シャフトの軸端外径を内側継手部材の軸孔内径に圧入してスプライン嵌合させるようにしている。
しかしながら、これら内側継手部材とシャフトとの嵌合構造は、硬化処理された雌スプラインと硬化処理された雄スプラインとによる凹凸嵌合であるため、ガタが発生し易いという問題があり、このようなガタがあると、回転トルクを確実に伝達することが困難になると共に、異音が発生するおそれがあった。
また、内側継手部材とシャフトの連結構造に止め輪による抜け止めを設けた場合、内側継手部材に係止面を形成する工程が必要であり、工数が増加すると共に、止め輪が必要なことから、部品点数も多くなり、製品のコストアップを招く。等速自在継手の組み立て工程においても、止め輪を組み付ける工程が必要であり、この点でも製品のコストアップを招くと共にサイクルタイムが余分に必要となる。
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、ガタを発生しにくくし、内側継手部材とシャフトを堅固に連結し得る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、本発明は、外側継手部材と、その外側継手部材との間で角度変位を許容しながらトルクを伝達する内側継手部材とを備えた等速自在継手であって、内側継手部材の軸孔内径にシャフトを嵌合した構造を有し、内側継手部材のトラック溝およびそのトラック溝間の外球面に硬化層を形成すると共に内側継手部材の軸孔内径を未硬化とし、かつ、シャフトの軸端外径に円周方向に沿う凹凸部を形成すると共にその軸端外径に硬化層を形成し、シャフトの軸端外径を内側継手部材の軸孔内径に圧入することにより、硬化層が形成されたシャフトの軸端外径の凹凸部が、未硬化の内側継手部材の軸孔内径に食い込んでその内側継手部材の軸孔内径を塑性変形させてシャフトと内側継手部材とを塑性結合させ、圧入の前後で内側継手部材の軸孔内径寸法をシャフトの軸端外径の凹凸部における最大径と最小径との間に規定したことを特徴とする。なお、内側継手部材の軸孔内径は、冷間鍛造仕上げにより形成されていることが好ましい。
本発明では、内側継手部材の内径を未硬化とし、かつ、シャフトの軸端外径に円周方向に沿う凹凸部を形成すると共にその軸端外径に硬化層を形成する。シャフトの軸端を内側継手部材の軸孔内径に圧入すると、硬化層が形成されたシャフトの軸端外径の凹凸部が、未硬化の内側継手部材の軸孔内径に食い込んでその内側継手部材の軸孔内径を塑性変形させる。
このようにしてシャフトと内側継手部材とを塑性結合させたことによりシャフトと内側継手部材とが一体化されることで、両者間のガタをなくし、シャフトと内側継手部材とを堅固に連結することができる。
前述の構成において、シャフトの軸端外径の凹凸部は、軸方向の少なくとも一部に軸方向に沿う凹凸部を有する構造とすることが望ましい。この軸方向に沿う凹凸部は、軸方向の少なくとも一部に形成されていればよい。つまり、軸方向の先端部分、根元部分あるいはそれらの中間部分のいずれかに形成されていればよく、軸方向の全体に形成されていてもよい。
このように軸方向に沿う凹凸部を有することにより、内側継手部材の軸孔内径に対するシャフトの軸端外径の抜け止めとなり、シャフトと内側継手部材とをより一層堅固に連結することができる。なお、前述した軸方向に沿う凹凸部としては、鋸歯状に形成した構造が好適である。
また、シャフトの軸端外径の凹凸部は、軸端外径の先端に形成された切り欠きを有する構造とすることが望ましい。このようにすれば、切り欠き端部を内側継手部材の端面に係止させることができ、その内側継手部材に対するシャフトの抜け止めとすることが可能である。
本発明によれば、内側継手部材のトラック溝およびそのトラック溝間の外球面に硬化層を形成すると共に内側継手部材の軸孔内径を未硬化とし、かつ、シャフトの軸端外径に円周方向に沿う凹凸部を形成すると共にその軸端外径に硬化層を形成し、シャフトの軸端外径を内側継手部材の軸孔内径に圧入することにより、硬化層が形成されたシャフトの軸端外径の凹凸部が、未硬化の内側継手部材の軸孔内径に食い込んでその内側継手部材の軸孔内径を塑性変形させてシャフトと内側継手部材とを塑性結合させ、圧入の前後で内側継手部材の軸孔内径寸法をシャフトの軸端外径の凹凸部における最大径と最小径との間に規定したことにより、シャフトと内側継手部材とが一体化されることで、両者間のガタをなくし、シャフトと内側継手部材とを堅固に連結することができる。その結果、剛性の高い等速自在継手を提供することができる。また、従来のように内側継手部材の軸孔内径に、スプライン形成や硬化処理を施す必要がなくなるため、コスト低減化が図れる。
本発明の実施形態を以下に詳述する。なお、以下の実施形態は、固定式(バーフィールド型)等速自在継手(BJ)に適用した場合を例示するが、他の固定式等速自在継手、例えばアンダーカットフリー型等速自在継手(UJ)に適用可能であり、さらに、摺動式等速自在継手、例えば、クロスグルーブ型等速自在継手(LJ)やダブルオフセット型等速自在継手(DOJ)にも適用可能である。
図5はバーフィールド型等速自在継手の全体構成を例示する。この等速自在継手は、外側継手部材としての外輪10と、外輪10の内側に配された内側継手部材としての内輪20と、外輪10と内輪20との間に介在してトルクを伝達する複数のボール30と、外輪10と内輪20との間に介在してボール30を保持するケージ40とを主要な部材として構成される。この固定式等速自在継手をドライブシャフトに適用する場合、外輪10を車輪軸受装置(図示せず)に結合させ、内輪20に後述の嵌合構造でもってシャフト50を結合させることにより、外輪10と内輪20の回転軸が角度をなした状態でも等速でトルクを伝達するようになっている。
外輪10はマウス部16とステム部18とからなり、ステム部18にて車輪軸受装置とトルク伝達可能に結合する。マウス部16は一端にて開口した椀状で、その内球面12に、軸方向に延びた複数のトラック溝14が円周方向等間隔に形成されている。そのトラック溝14はマウス部16の開口端まで延びている。内輪20は、その外球面22に、軸方向に延びた複数のトラック溝24が円周方向等間隔に形成されている。そのトラック溝24は内輪20の軸方向に切り通されている。
外輪10のトラック溝14と内輪20のトラック溝24とは対をなし、各対のトラック溝14,24で構成されるボールトラックに1個ずつ、トルク伝達要素としてのボール30が転動可能に組み込んである。ボール30は外輪10のトラック溝14と内輪20のトラック溝24との間に介在してトルクを伝達する。ケージ40は外輪10と内輪20との間に摺動可能に介在し、外球面42にて外輪10の内球面12と接し、内球面44にて内輪20の外球面22と接する。
前述した内輪20はその軸孔内径26にシャフト50の軸端52を圧入することによりシャフト50とトルク伝達可能に結合されている。この内輪20の軸孔内径26は、冷間鍛造仕上げにより形成されているが、旋削、研磨仕上げにより形成されていてもよい。内輪20とシャフト50との嵌合構造は以下のとおりである。
図1は内輪20とシャフト50を連結する前の状態、図2は内輪20とシャフト50を連結した後の状態をそれぞれ示す。また、図3(a)は図1のA−A線に沿う断面、同図(b)はB−B線に沿う断面、図4は図2のC−C線に沿う断面である。
内輪20は、トラック溝24およびそのトラック溝24間の外球面22に高周波焼入れにより硬化層m(図1のクロスハッチング部分)が形成され、その軸孔内径26を未硬化としている。つまり、内輪20の軸孔内径26については、高周波焼入れによる硬化処理がなされていない。なお、内輪20における硬化層mの形成については、高周波焼入れ以外に浸炭焼入れにより行うことも可能である。この場合、軸孔内径26における未硬化については、防炭処理により行うことが可能である。
一方、シャフト50の外径にはその軸方向全周に亘って高周波焼入れにより硬化層n(図1のクロスハッチング部分)が形成されている。また、シャフト50の軸端外径52には円周方向に沿う凹凸部としてスプライン54が形成されている。その結果、シャフト50の軸端外径52には、高周波焼入れにより硬化処理されたスプライン54が形成されている。
以上のように、内輪20の軸孔内径26は硬化処理がなされていない状態であり、シャフト50の軸端外径52は硬化処理されたスプライン54が形成された状態である。また、内輪20の軸孔内径寸法dは、シャフト50の軸端外径52のスプライン54における最大径dと最小径dとの間になるように規定されている。
図2に示すように、このシャフト50の軸端外径52を内輪20の軸孔内径26に圧入する。この圧入により、硬化層nが形成されたシャフト50の軸端外径52のスプライン54が、図4に示すように未硬化の内輪20の軸孔内径26に食い込んでその内輪20の軸孔内径26を塑性変形させる。このようにしてシャフト50と内輪20とを塑性結合させることによりシャフト50と内輪20とが一体化されることで、両者間のガタをなくし、シャフト50と内輪20とを堅固に連結することができる。
以上で説明した第一の実施形態では、シャフト50の軸端外径52に円周方向に沿う凹凸部であるスプライン54のみを形成した構造について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、このスプライン54に軸方向に沿う凹凸部を付加した構造としてもよい。前述した第一の実施形態と同様、図6、図8、図10、図12および図15は内輪20とシャフト50を連結する前の状態、図7、図9、図11、図13および図16は内輪20とシャフト50を連結した後の状態をそれぞれ示し、図1および図2に示す第一の実施形態と同一又は相当部分には同一参照符号を付して重複説明は省略する。
図6に示す第二の実施形態では、シャフト50の軸端外径52のスプライン54に軸方向に沿う凹凸部として鋸歯56を形成する。つまり、スプライン54を構成する凸状歯部を軸方向に沿う鋸歯状に形成する。
図7に示すように、シャフト50の軸端外径52を内輪20の軸孔内径26に圧入すれば、硬化層nが形成されたシャフト50の軸端外径52のスプライン54が、未硬化の内輪20の軸孔内径26に食い込んでその内輪20の軸孔内径26を円周方向に沿って塑性変形させるだけでなく、鋸歯56が未硬化の内輪20の軸孔内径26に食い込んでその内輪20の軸孔内径26を軸方向に沿っても塑性変形させる。
このように軸方向に沿う鋸歯56を形成したことにより、内輪20に対するシャフト50の抜け止めとして機能することから、従来のような抜け止め構造としての止め輪が不要となり、部品点数の低減化が図れ、内輪20に対する加工も不要となるため、コストアップを招くことはない。この鋸歯56による抜け止めでもって、シャフト50と内輪20とをより一層堅固に連結することができる。
このスプライン54の凸状歯部を軸方向に沿う鋸歯状に形成する部位は、前述の第二の実施形態のようにスプライン54の軸方向全体に亘って形成する以外に、例えば図8および図9に示す第三の実施形態のようにスプライン54の根元部分のみであってもよく、その他、図10および図11に示す第四の実施形態のようにスプライン54の先端部分や、図12および図13に示す第五の実施形態のように先端部分と根元部分との間の中間部分のみであってもよい。
また、これらの鋸歯56は、スプライン54における円周方向に沿う多数の凸状歯部の全てに必ずしも設ける必要はなく、円周方向に沿う多数の凸状歯部のうちの一部に設けるようにしてもよい。例えば図14(a)(b)に示す例では、スプライン54における4つの凸状歯部に鋸歯56〔図14(b)の四箇所〕に設けている。
また、図15に示す第六の実施形態のように、スプライン54の先端部分に切り欠き58を形成するようにしてもよい。このように切り欠き58を形成すれば、シャフト50の軸端外径52を内輪20の軸孔内径26に圧入した場合、図16に示すようにその切り欠き58の端部を内輪20の端面に係止させることができ、その内輪20に対するシャフト50の抜け止めとなり、内輪20とシャフト50の嵌合構造がより一層強固となる。これは、前述した第二の実施形態(図6および図7参照)と第四の実施形態(図10および図11参照)のように鋸歯56をスプライン54の先端部分を含む部位に形成する場合にも同様の作用効果が得られる。
なお、以上の各実施形態では、ドライブシャフトの等速自在継手に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、プロペラシャフトの等速自在継手にも適用可能である。
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。
本発明の第一の実施形態で、内輪とシャフトを連結する前の状態を示す断面図である。 本発明の第一の実施形態で、内輪とシャフトを連結した後の状態を示す断面図である。 (a)は図1のA−A線に沿う断面図、(b)は図1のB−B線に沿う断面図である。 図2のC−C線に沿う断面図である。 固定式等速自在継手(バーフィールド型等速自在継手)の全体構成を示す断面図である。 本発明の第二の実施形態で、内輪とシャフトを連結する前の状態を示す断面図である。 本発明の第二の実施形態で、内輪とシャフトを連結した後の状態を示す断面図である。 本発明の第三の実施形態で、内輪とシャフトを連結する前の状態を示す断面図である。 本発明の第三の実施形態で、内輪とシャフトを連結した後の状態を示す断面図である。 本発明の第四の実施形態で、内輪とシャフトを連結する前の状態を示す断面図である。 本発明の第四の実施形態で、内輪とシャフトを連結した後の状態を示す断面図である。 本発明の第五の実施形態で、内輪とシャフトを連結する前の状態を示す断面図である。 本発明の第五の実施形態で、内輪とシャフトを連結した後の状態を示す断面図である。 シャフトの軸端外径のスプラインに鋸歯を設ける変形例で、(a)はシャフトの軸端外径を示す部分正面図、(b)は(a)のD−D線に沿う断面図である。 本発明の第六の実施形態で、内輪とシャフトを連結する前の状態を示す断面図である。 本発明の第六の実施形態で、内輪とシャフトを連結した後の状態を示す断面図である。
符号の説明
10 外側継手部材(外輪)
20 内側継手部材(内輪)
26 軸孔内径
50 シャフト
52 軸端外径
54 円周方向に沿う凹凸部(スプライン)
56 軸方向に沿う凹凸部(鋸歯)
58 切り欠き
m、n 硬化層

Claims (5)

  1. 外側継手部材と、その外側継手部材との間で角度変位を許容しながらトルクを伝達する内側継手部材とを備えた等速自在継手であって、前記内側継手部材の軸孔内径にシャフトを嵌合した構造を有し、前記内側継手部材のトラック溝およびそのトラック溝間の外球面に硬化層を形成すると共に前記内側継手部材の軸孔内径を未硬化とし、かつ、前記シャフトの軸端外径に円周方向に沿う凹凸部を形成すると共にその軸端外径に硬化層を形成し、前記シャフトの軸端外径を内側継手部材の軸孔内径に圧入することにより、前記硬化層が形成されたシャフトの軸端外径の凹凸部が、未硬化の内側継手部材の軸孔内径に食い込んでその内側継手部材の軸孔内径を塑性変形させてシャフトと内側継手部材とを塑性結合させ、前記圧入の前後で前記内側継手部材の軸孔内径寸法をシャフトの軸端外径の凹凸部における最大径と最小径との間に規定したことを特徴とする等速自在継手。
  2. 前記内側継手部材の軸孔内径は、冷間鍛造仕上げにより形成されている請求項1に記載の等速自在継手。
  3. 前記シャフトの軸端外径の凹凸部は、軸方向の少なくとも一部に軸方向に沿う凹凸部を有する請求項1又は2に記載の等速自在継手。
  4. 前記シャフトの軸方向に沿う凹凸部を鋸歯状に形成した請求項に記載の等速自在継手。
  5. 前記シャフトの軸方向に沿う凹凸部は、その軸端外径の先端に形成された切り欠きを有する請求項に記載の等速自在継手。
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