JP5355876B2 - 等速自在継手 - Google Patents

Description

本発明は、例えば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作動角度変位のみを許容する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式等速自在継手がある。この固定式等速自在継手は、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、前述した固定式等速自在継手としては、バーフィールド型（ＢＪ）やアンダーカットフリー型（ＵＪ）が広く知られている。

例えば、ＢＪタイプの固定式等速自在継手は、球面状内周面に軸方向に延びる複数のトラック溝が円周方向等間隔に形成された外側継手部材としての外輪と、球面状外周面に外輪のトラック溝と対をなして軸方向に延びる複数のトラック溝が円周方向等間隔に形成された内側継手部材としての内輪と、外輪のトラック溝と内輪のトラック溝との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、外輪の球面状内周面と内輪の球面状外周面との間に介在してボールを保持するケージとを備えている。

各ボールは、ケージに形成された複数のポケットのそれぞれに収容されて円周方向等間隔に配置されている。近年においては、軽量、コンパクトな固定式等速自在継手として、８個のボールを備えたものもある。

この固定式等速自在継手を、例えば自動車のドライブシャフトに使用した場合、外輪を従動軸に連結し、内輪に車体側のディファレンシャルに取り付けられた摺動式等速自在継手から延びる駆動軸をスプライン嵌合で連結した構造が一般的である。この等速自在継手では、外輪と内輪との間に作動角が付与されると、ケージに収容されたボールは常にどの作動角においても、その作動角の二等分面内に維持され、継手の等速性が確保される。

この固定式等速自在継手のコンパクト化を図る上では、特に、高作動角時のケージの強度や内輪の強度を確保することが重要である。

従来、特許文献１に開示された等速自在継手は、周方向長さが異なる二種類のポケットをケージの周方向に等配に設けた構造を具備することにより、ポケット間に形成された柱の断面積およびケージ内外の球面面積を大きくとることができ、ケージの強度向上を図ろうとするものである。

また、特許文献２に開示された等速自在継手は、ポケットの隅アール部の曲率半径Ｒとボールの直径ｄとの比をＲ／ｄ≧０．２２としてケージのポケットの隅アール部の形状を寸法規定することにより、ケージの強度向上を図ろうとするものである。

さらに、特許文献３に開示された等速自在継手は、内輪のスプライン孔において、継手入口側に位置する入口側チャンファの角度を規定することにより、内輪の強度向上を図ろうとするものである。
特開平９−１７７８１４号公報 特開２００２−１３５４４号公報 特許第３１８８００１号公報

ところで、前述の特許文献１〜３で開示された固定式等速自在継手において、軽量、コンパクト化を図るためには、外輪、内輪およびケージからなる構成部品の肉厚を薄くする必要がある。

特に、固定式等速自在継手を構成する内輪は、中心にシャフトが圧入されるスプライン孔を有する構造を具備することから、内輪の肉厚を薄くしようとすると、そのシャフトが挿入される内輪１２０の入口側端面１２３において、トラック溝１２４の底部で肉厚が極端に薄くなる（図２の従来品のＡ部参照：径方向寸法Ｌ₁）。

その結果、固定式等速自在継手が高作動角をとった時に、前述した内輪１２０の入口側端面１２３におけるトラック溝１２４の底部が、そのトラック溝１２４に位置するボールから応力を受けることから最弱部となり、内輪１２０の十分な強度を確保することが困難となるおそれがある。

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、軽量、コンパクト化を図るために内輪の肉厚が薄くなっても、高作動角、高トルク負荷時でも、内輪の十分な強度を確保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、本発明に係る等速自在継手は、内周面に軸方向に延びる複数のトラック溝が形成された外側継手部材と、外周面に前記外側継手部材のトラック溝と対をなして軸方向に延びる複数のトラック溝が形成され、かつ、内周面に軸方向に延びるスプラインが形成された軸孔を有する内側継手部材と、前記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との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、前記外側継手部材の内周面と内側継手部材の外周面との間に介在してボールを保持するケージとを備え、内側継手部材がシャフトの肩部との当接により位置決めされ、前記内側継手部材の入口側端面と前記軸孔のスプライン端部との間に軸方向の段差部が設けられ、前記段差部は、前記スプライン端部からトラック溝の底部に達し、かつ前記入口側端面よりも奥側に位置する凹端面を形成するものであり、前記凹端面の径方向寸法を１ｍｍ以上とし、最大作動角をとった時に、前記ボールと内側継手部材のトラック溝との間の接触楕円がトラック溝から食み出さず、かつ前記接触楕円の少なくとも一部が凹端面よりも入口側に食み出すようにしたことを特徴とする。

ここで、「内側継手部材の入口側端面」とは、内側継手部材において、外側継手部材の開口側、つまり、内側継手部材の軸孔に圧入される軸部材（シャフト）の挿入側に位置する端面を意味する。また、「軸孔のスプライン端部」とは、軸孔のスプラインにおいて、外側継手部材の開口側、つまり、内側継手部材の軸孔に圧入される軸部材（シャフト）の挿入側に位置する端部を意味する。さらに、「軸方向の段差部」とは、内側継手部材の入口側端面を軸方向に凹ませることにより形成された段差を意味する。

本発明では、等速自在継手の軽量、コンパクト化を図る上で内側継手部材の肉厚が薄くなっても、内側継手部材の入口側端面と軸孔のスプライン端部との間に軸方向の段差部を設け、その入口側端面よりも奥側に位置する凹端面を形成したことにより、その凹端面、つまり、トラック溝の底部での肉厚（図２の本発明品のＢ部参照：径方向寸法Ｌ₂）を従来品（図２の従来品のＡ部参照：径方向寸法Ｌ₁）よりも大きくすることができるので、高作動角、高トルク負荷時でも、内側継手部材の十分な強度を確保することができる。

本発明における凹端面は、トラック溝の底部と対応する部位に形成する。これにより、等速自在継手が高作動角をとった時、ボール接触点がトラック溝から食み出すことがなく、トルク伝達が効率よく確実に行われる。

なお、本発明における凹端面の径方向寸法は１．５ｍｍ以上とし、かつ、その凹端面が形成された内側継手部材端部に非硬化層部分が内在することが好ましい。このように凹端面の径方向寸法を１．５ｍｍ以上とすれば、その凹端面が形成された内側継手部材端部に非硬化層部分が残ることになり、高作動角、高トルク負荷時に内輪の十分な強度を安定して確保することができる。

なお、本発明に係る等速自在継手は、ボールの個数が５〜８であることが望ましく、また、外側継手部材および内側継手部材のトラック溝は、鍛造仕上げで形成されていることが望ましい。

また、本発明は、軸方向の縦断面が単一の円弧面形状を有するトラック溝を持つ外側継手部材および内側継手部材を具備したバーフィールド型の固定式等速自在継手（ＢＪ）や、軸方向と平行な直線部分を有するトラック溝を持つ外側継手部材および内側継手部材を具備したアンダーカットフリー型の固定式等速自在継手（ＵＪ）のいずれにも適用可能である。

本発明では、等速自在継手の軽量、コンパクト化を図る上で内側継手部材の肉厚が薄くなっても、内側継手部材の入口側端面と軸孔のスプライン端部との間に軸方向の段差部を設け、その入口側端面よりも奥側に位置する凹端面を形成したことにより、その凹端面におけるトラック溝の底部での肉厚を従来品よりも大きくすることができるので、高作動角、高トルク負荷時でも、内側継手部材の十分な強度を確保することができる。

その結果、等速自在継手の軽量、コンパクト化が図れると共に、内側継手部材の高強度化も図れて、長寿命で信頼性の高い等速自在継手を提供できる。

本発明に係る等速自在継手の実施形態を詳述する。図１に示す実施形態は、軸方向の縦断面が単一の円弧面形状を有するトラック溝を持つ外側継手部材および内側継手部材を具備したバーフィールド型の固定式等速自在継手（ＢＪ）を例示する。

なお、図示しないが、軸方向と平行な直線部分を有するトラック溝を持つ外側継手部材および内側継手部材を具備したアンダーカットフリー型の固定式等速自在継手（ＵＪ）についても適用可能である。また、これらバーフィールド型やアンダーカットフリー型以外のトラック溝形状を有する他の固定式等速自在継手にも適用可能である。

図１に示すＢＪタイプの固定式等速自在継手は、球面状内周面１２に軸方向に延びる複数のトラック溝１４が円周方向等間隔に形成された外側継手部材としての外輪１０と、球面状外周面２２に外輪１０のトラック溝１４と対をなして軸方向に延びる複数のトラック溝２４が円周方向等間隔に形成された内側継手部材としての内輪２０と、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複数のボール３０と、外輪１０の球面状内周面１２と内輪２０の球面状外周面２２との間に介在してボール３０を保持するケージ４０とを備えている。なお、外輪１０のトラック溝１４および内輪２０のトラック溝２４は、鍛造仕上げによりそれぞれ形成されている。

内輪２０は、その軸孔２６に外輪１０の開口側からシャフト５０が挿入され、軸孔２６の内周面に形成されたスプライン２８とシャフト５０の外周面に形成されたスプライン５８とを噛み合わせることにより、内輪２０とシャフト５０がトルク伝達可能に連結されている。このシャフト５０は、その軸端部に形成された環状の凹溝５２に嵌合したサークリップ等の止め輪６０を、内輪２０の奥側開口端部に形成された凹所２１に係止させることにより抜け止めされている。また、シャフト５０の肩部５０ａを内輪２０に当接させることで、シャフト５０の位置決めがなされている。

各ボール３０は、ケージ４０に形成された複数のポケット４２のそれぞれに収容されて円周方向等間隔に配置されている。このボール３０の数、換言すれば、トラック溝１４，２４、ケージ４０のポケット４２の数は任意であるが、例を挙げるならば５〜８である。ボール３０を８個とした場合は、６個ボールの場合よりもコンパクトな等速自在継手を実現することができる。また、これら内輪２０、ボール３０およびケージ４０からなる内部部品は、外輪１０の内部に相対動作可能に収容されている。

このＢＪタイプの等速自在継手におけるトラック溝１４，２４は、軸方向の縦断面が単一の円弧面形状を有する。外輪１０のトラック溝１４の曲率中心Ｏ₁および内輪２０のトラック溝２４の曲率中心Ｏ₂は、ボール中心を含む継手中心Ｏに対して等距離ｆだけ軸方向逆向きにオフセットされている（トラックオフセット）。なお、外輪１０の球面状内周面１２（ケージ４０の球面状外周面４４）の曲率中心および内輪２０の球面状外周面２２（ケージ４０の球面状内周面４６）の曲率中心は前述の継手中心Ｏと一致している。このように、トラックオフセットを設けることにより、一対のトラック溝１４，２４でもって外輪１０の奥側から開口側に向けて径方向間隔が徐々に増加する楔状のボールトラックが形成されている。

なお、ＵＪタイプの等速自在継手では、外輪１０および内輪２０が、軸方向と平行な直線部分を有するトラック溝を持つ点でＢＪタイプの等速自在継手と異なるのみであり、他の構成部品についてはＢＪタイプの等速自在継手と同一である。

等速自在継手を、例えば自動車のドライブシャフトに使用した場合、外輪１０を従動軸に連結し、車体側のディファレンシャルに取り付けられた摺動式等速自在継手から延びる駆動軸（シャフト５０）を内輪２０にスプライン嵌合で連結した構造としている。この等速自在継手では、外輪１０と内輪２０との間に作動角が付与されると、ケージ４０に収容されたボール３０は常にどの作動角においても、その作動角の二等分面内に維持され、継手の等速性が確保される。

この等速自在継手のコンパクト化を図る上で、例えば高作動角時の内輪２０の強度を確保する必要がある。ここで、図２は、図１の等速自在継手を構成する一つの部品である内輪２０，１２０を示し、中心線より下半分に本発明品の内輪２０を、その本発明品と比較するために中心線より上半分に従来品としての内輪１２０を示す。

この実施形態における等速自在継手では、内輪２０の入口側端面２３と軸孔２６のスプライン端部２８ａとの間に軸方向の段差部２５を設け、入口側端面２３よりも奥側に位置する凹端面２７を形成する。これら内輪２０の入口側端面２３および軸孔２６のスプライン端部２８ａは、内輪２０の軸孔２６に圧入されるシャフト５０の挿入側で外輪１０の開口側に位置する。

等速自在継手の軽量、コンパクト化を図るため、内輪２０，１２０の肉厚が薄くなると、図２に示すように、従来品の場合、内輪１２０の入口側端面１２３におけるトラック溝１２４の底部での肉厚が薄くなる（Ａ部の径方向寸法Ｌ₁）。これに対して、本発明品の場合、内輪２０の入口側端面２３と軸孔２６のスプライン端部２８ａとの間に軸方向の段差部２５を設け、その入口側端面２３よりも奥側に位置する凹端面２７を形成したことにより、その凹端面２７におけるトラック溝２４の底部での肉厚（Ｂ部の径方向寸法Ｌ₂）を従来品（Ａ部の径方向寸法Ｌ₁）よりも大きくすることができる（Ｌ₂＞Ｌ₁）。

このようにして内輪２０の凹端面２７での肉厚が従来品よりも大きくなることから、高作動角、高トルク負荷時でも、内輪２０の十分な強度を確保することができる。その結果、等速自在継手の軽量、コンパクト化が図れると共に内輪２０の高強度化も図れる。

内輪２０の入口側端面２３よりも奥側に位置する凹端面２７の径方向寸法Ｌ₂は１ｍｍ以上とする。この凹端面２７の径方向寸法Ｌ₂が１ｍｍより小さいと、高作動角、高トルク負荷時、凹端面２７での応力集中が発生し易くなって、内輪２０の十分な強度を確保することが困難となる。

なお、内輪２０の外周面および端面と軸孔２６の内周面には、通常、内輪２０の強度を確保するために浸炭焼入れ等による熱処理でもって表面硬化層（図示せず）が形成されている。図３に示すように凹端面２７の径方向寸法Ｌ₂を１．５ｍｍ以上とすれば、その凹端面２７が形成された内輪２０の入口側端部に非硬化層部分ｍが残ることになり、高作動角、高トルク負荷時に内輪２０の十分な強度を安定して確保することができる。

この内輪２０の入口側端面２３よりも奥側に位置する凹端面２７は、トラック溝２４の底部と対応する部位に形成されている。このようにすれば、図４に示すように、等速自在継手が最大作動角をとった時、ボール接触点α、つまり、ボール３０が内輪２０のトラック溝２４と接触する接触楕円がトラック溝２４から食み出すことがなく、トルク伝達が効率よく確実に行われる。なお、前述したボール３０は、例えば８個ボールのうち、図４に示すように外輪１０のトラック溝１４の最奥部（内輪２０のトラック溝２４の最入口部）に位置するボール３０を意味する。

これに対して、図１の実施形態との比較例を図５に示す。なお、図５では、図１と同一部分には同一参照符号を付してその符号にダッシュを付して重複説明は省略する。図５に示すように、トラック溝２４’の底部と対応する部位に形成された凹端面よりも外径側部分（図中の点線部分ｎ）を切除した場合、つまり、内輪２０’の軸方向幅を単に短くした場合、内輪２０’の入口側端面２３’での肉厚を確保することができる。

しかしながら、この場合、前述の凹端面よりも外径側部分のトラック溝２４’における底部からの立ち上がり部分（図中の点線部分）が切除されることから、ボール接触点α’が内輪２０’のトラック溝２４’から食み出すことになる。

従って、図５に示すように、内輪２０’の軸方向幅を単に短くすることにより、内輪２０’の入口側端面２３’での肉厚を確保しようとしても、ボール接触点α’が内輪２０’のトラック溝２４’が食み出すことから、トルク伝達が効率よく行われず、等速自在継手の機能を満足することが困難となる。

このことから、図１および図４に示す実施形態のように内輪２０の入口側端面２３よりも奥側に位置する凹端面２７を、トラック溝２４の底部と対応する部位に形成することが有効となる。この場合、最大作動角をとった時には、接触楕円の少なくとも一部が凹端面２７よりも入口側に食み出すこととなる。

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。

本発明の実施形態で、バーフィールド型等速自在継手の全体構成を示す縦断面図である。 中心線より下半分が図１の等速自在継手の内輪を示し、中心線より上半分が従来の等速自在継手の内輪を示す縦断面図である。 図１の等速自在継手の内輪で、凹端面が形成された内輪端部に非硬化層部分が内在した形態を示す部分断面図である。 図１の等速自在継手が高作動角をとった状態を示す縦断面図である。 内輪の軸方向幅を単に短くした等速自在継手で、高作動角をとった状態を示す縦断面図である。

符号の説明

１０ 外側継手部材（外輪）
１２ 内周面
１４ トラック溝
２０ 内側継手部材
２２ 外周面
２３ 入口側端面
２４ トラック溝
２５ 段差部
２６ 軸孔
２７ 凹端面
２８ スプライン
２８ａ スプライン端部
３０ ボール
４０ ケージ
Ｌ₂ 径方向寸法
ｍ 非硬化層部分

Claims (6)

1. 内周面に軸方向に延びる複数のトラック溝が形成された外側継手部材と、外周面に前記外側継手部材のトラック溝と対をなして軸方向に延びる複数のトラック溝が形成され、かつ、内周面に軸方向に延びるスプラインが形成された軸孔を有する内側継手部材と、前記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との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、前記外側継手部材の内周面と内側継手部材の外周面との間に介在してボールを保持するケージとを備え、
   内側継手部材がシャフトの肩部との当接により位置決めされ、前記内側継手部材の入口側端面と前記軸孔のスプライン端部との間に軸方向の段差部が設けられ、前記段差部は、前記スプライン端部からトラック溝の底部に達し、かつ前記入口側端面よりも奥側に位置する凹端面を形成するものであり、前記凹端面の径方向寸法を１ｍｍ以上とし、最大作動角をとった時に、前記ボールと内側継手部材のトラック溝との間の接触楕円がトラック溝から食み出さず、かつ前記接触楕円の少なくとも一部が凹端面よりも入口側に食み出すようにしたことを特徴とする等速自在継手。
2. 前記凹端面の径方向寸法を１．５ｍｍ以上とし、かつ、その凹端面が形成された内側継手部材端部に非硬化層部分が内在する請求項１に記載の等速自在継手。
3. 前記ボールの個数が５〜８である請求項１又は２に記載の等速自在継手。
4. 前記外側継手部材および内側継手部材のトラック溝は、鍛造仕上げで形成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の等速自在継手。
5. 前記外側継手部材および内側継手部材は、軸方向に沿って円弧状をなすトラック溝が形成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の等速自在継手。
6. 前記外側継手部材および内側継手部材は、軸方向に沿って直線部分を有するトラック溝が形成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の等速自在継手。

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