JP5901953B2 - 等速自在継手 - Google Patents

Description

本発明は、等速自在継手に関する。

例えば、各種産業機械などで使用される等速自在継手では、外部からの異物の侵入および内部からのグリースの漏出を防止するためのシール部材として、ゴムや樹脂製のブーツを装着しているのが一般的である。

しかしながら、各種産業機械の中でも鉄鋼設備の一つである連続鋳造設備で使用され、各種ロールに駆動力を伝達するロール駆動力伝達装置は、８０℃以上の輻射熱、水蒸気による高温多湿、スケールの飛散、薬品類などによる劣悪雰囲気下で使用されるため、前述したゴムや樹脂製のブーツからなるシール部材の場合、そのシール部材が劣化し易く、シール性能および耐久性能の低下を招来する。

このことから、劣悪雰囲気下で使用されるロール駆動力伝達装置に組み込まれた等速自在継手では、ゴムや樹脂製のブーツからなるシール部材を使用せず、金属製の球面シール構造を採用している。なお、等速自在継手は、外側継手部材と、内側継手部材と、その外側継手部材と内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ボールと、そのボールを保持するケージとで主要部が構成され、内側継手部材から延びるシャフトと外側継手部材との間に球面シール構造が設けられている(特許文献１)。

特許文献１に記載の等速自在継手は、図５に示すように、軸方向に延びる複数のトラック溝１が球面状内周面２に円周方向等間隔で形成された外側継手部材３と、その外側継手部材３のトラック溝１と対応させて軸方向に延びる複数のトラック溝４が球面状外周面５に円周方向等間隔で形成された内側継手部材６と、外側継手部材３のトラック溝１と内側継手部材６のトラック溝４とが協働して形成されたボールトラックに配されたトルク伝達部材である複数のボール７と、外側継手部材３の球面状内周面２と内側継手部材６の球面状外周面５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。

内側継手部材６の軸孔にシャフト１０の軸端を挿入してスプライン嵌合させることにより両者をトルク伝達可能に連結している。すなわち、内側継手部材６の軸孔の内径面に雌スプライン１１を形成し、また、シャフト１０の端部に雄スプライン１２を形成し、シャフト１０の雄スプライン１２を内側継手部材６の軸孔に嵌入することによって、雄スプライン１２と内側継手部材６の雌スプライン１１とを嵌合させる。

外側継手部材３の開口部を塞ぐため、その外側継手部材３の開口端部と内側継手部材６から延びるシャフト１０との間に、継手内部への外部からの液体の侵入および内部からのグリースの漏洩を防止する球面シール構造２０が設けられている。

この球面シール構造２０は、内径に凹球面状のシール面２１を有する金属製の球面シール外環２２と、外径に凸球面状のシール面２３を有する金属製の球面シール内環２４とを備える。この場合、球面シール外環２２を外側継手部材３に装着すると共に、球面シール内環２４を内側継手部材６から延びるシャフト１０に滑動自在に装着する。そして、球面シール内環２４と内側継手部材６との間に配設されたスプリング２５により、球面シール内環２４のシール面２３を球面シール外環２２のシール面２１に弾圧接触させるものである。

特開２０１０−６５８１４号公報

しかしながら、シャフト１０の内側継手部材に対する軸方向のスライドが許容されるタイプであれば、図５に示すような球面シール構造２０を有すれば、図５の仮想線で示すように、作動角θをとった場合、シャフト１０と球面シール外環２２との干渉により、大きくとることができない。すなわち、シャフト１０側が球面シール外環２２の内径面２６に当接することになって、許容最大角度θが決まる。このような構造の場合の許容最大角度θは１０°程度である。

そこで、本発明は斯かる実情に鑑み、球面シール構造を備えしかも、高角度（例えば、２０°程度）まで作動することができる等速自在継手を提供しようとするものである。

本発明の等速自在継手は、軸方向に延びる複数のトラック溝が内径面に円周方向等間隔で形成された外側継手部材と、前記外側継手部材のトラック溝と対応させて軸方向に延びる複数のトラック溝が外径面に円周方向等間隔で形成された内側継手部材と、前記外側継手部材のトラック溝と前記内側継手部材のトラック溝とが協働して形成されたボールトラックに配されたトルク伝達部材である複数のボールと、前記外側継手部材の内径面と前記内側継手部材の外径面との間に介在してボールを保持するケージとを備えた等速自在継手であって、密封部材が付設され、前記密封部材は、凸球面状のシール面を有する球面シール内環と、この球面シール内環のシール面と相対的に摺接する凹球面状のシール面を有する球面シール外環とを備え、前記球面シール内環が外側継手部材側に装着され、前記球面シール外環がシール外環台座を介して前記内側継手部材側に固定され、球面シール内環と球面シール外環はともに金属製で、かつ球面シール内環のシール面の球芯と、球面シール外環のシール面の球芯とが、継手軸芯と同芯であるものである。

本発明の等速自在継手によれば、球面シール内環が外側継手部材側に装着され、前記球面シール外環がシール外環台座を介して前記内側継手部材に固定されるものであるので、シャフトが球面シール外環に干渉されることなく、シャフトが外側継手部材側に装着される球面シール内環に干渉されるまで作動角をとることが可能となる。これによって、従来のこの種のタイプのものよりも大きい作動角をとることが可能である。

球面シール内環のシール面と、球面シール外環のシール面との間にシールリングを介在させるとともに、球面シール内環は外側継手部材の開口部に外嵌される外側継手部材装着用筒部を有し、この筒部の内径面と外側継手部材の外径面との間にシールリングを介在させるのが好ましい。

球面シール内環のシール面と、球面シール外環のシール面とを弾性的に弾性部材を介して接触させるのが好ましい。この際、弾性部材が、外側継手部材に外嵌されるばね部材にて構成することができる。

また、球面シール内環は、筒状のばね台座と、前記シール面を有するリング体とを備え、ばね台座の外側継手部材側開口部が外側継手部材の開口部に外嵌されるとともに、ばね台座の反外側継手部材側に前記リング体が付設され、かつ、リング体のシール面を球面シール外環のシール面に押し付ける前記弾性部材がばね台座に外嵌されているものであってもよく、球面シール外環のシール面とリング体のシール面対応面とを密着させるリング状の付勢体をリング体に付設したものであってもよい。

前記シールリングや球面シール内環のリング体をゴム又は樹脂の弾性材にて構成できる。

本発明では、従来のこの種のタイプのものよりも大きさ作動角（例えば、２０度程度）をとることが可能であり、しかも、シャフトの内側継手部材に対するスライドを許容するものである。このため、高角度まで作動する必要がある各種の産業機械の動力伝達機構に適用することができる。

シールリングを介在させたものであれば、球面シール内環のシール面と、球面シール外環のシール面との間、外側継手部材装着用筒部の内径面と外側継手部材の外径面との間等におけるシール性の向上を図ることができ、安定した密封性を発揮することができる。

球面シール内環のシール面と、球面シール外環のシール面とを弾性的に弾性部材を介して接触させることによって、常時安定したシール性を発揮することができる。なお、弾性部材をばね部材にて構成することができるので、低コスト化を図ることができる。

ばね台座を備えたものでは、球面シール内環のシール面を球面シール外環のシール面に安定して弾性的に押し付けることができ、高精度なシール性を発揮する。

前記シールリングや球面シール内環のリング体をゴム又は樹脂の弾性材にて構成でき、シール性の向上を図ることができ、特に、球面シール内環のリング体をゴム等で構成することによって、軽量化を図ることができる。球面シール内環を、ばね台座とリング体とで構成することによって、シール面が摩耗等した場合、リング体のみを交換することができ、メンテナンス性に優れる。また、ばね台座とリング体とを異なる材質で構成できる。このように異なる材質で構成することによって、生産性の向上やコスト低減を図ることができる。

本発明の実施形態を示す等速自在継手の断面図である。 前記図１に示す等速自在継手が作動角をとった状態の断面図である。 本発明の他の実施形態を示す等速自在継手の断面図である。 本発明の別の実施形態を示す等速自在継手の断面図である。 従来の等速自在継手の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。

図１と図２は本発明に係る等速自在継手を示し、等速自在継手は、軸方向に延びる複数のトラック溝４１が内径面４２に円周方向等間隔で形成された外側継手部材４３と、その外側継手部材４３のトラック溝４１と対応させて軸方向に延びる複数のトラック溝４４が外径面４５に円周方向等間隔で形成された内側継手部材４６と、外側継手部材４３のトラック溝４１と内側継手部材４６のトラック溝４４とが協働して形成されたボールトラックに配されたトルク伝達部材である複数のボール４７と、外側継手部材４３の内径面４２と内側継手部材４６の外径面４５との間に介在してボール４７を保持するケージ４８とを備えている。

外側継手部材４３は、前記トラック溝４１が形成された内径面４２を有する筒状本体部４３ａと、筒状本体部４３ａの反トラック溝側の開口部の外径面に連設されるフランジ部４３ｂとを備える。なお、筒状本体部４３ａは、フランジ部４３ｂ側の大径部５０と、トラック溝側の小径部５１とからなる。

また、内側継手部材４６の軸心孔の内径面には雌スプライン部５５が設けられ、この内側継手部材４６の軸心孔に、シャフト５６の端部の雄スプライン部５７を嵌入させる。内側継手部材４６の雌スプライン部５５とシャフト５６の雄スプライン部５７とを嵌合させる。この場合、シャフト５６は、内側継手部材４６に対して、軸心方向に沿って矢印Ａ方向の往復動が可能となっている。

外側継手部材４３とシャフト５６との間に密封部材Ｓを配設している。密封部材Ｓは、球面シール構造であって、凸球面状のシール面７１を有する球面シール内環７２と、この球面シール内環７２のシール面７１と相対的に摺接する凹球面状のシール面７３を有する球面シール外環７４とを備える。

球面シール内環７２は、大径部７２ａと、小径部７２ｂと、大径部７２ａと小径部７２ｂとを連結する段差部７２ｃとを備えた筒体からなる。そして、小径部７２ｂには、その先端部に先端側に向かって拡径するコーン部７５が設けられ、このコーン部７５の端面が前記シール面７１を構成する。

球面シール外環７４は、内側継手部材４６から延びるシャフト５６にシール外環台座７６を介して外嵌される短筒部７４ａと、この短筒部７４ａに連設される椀形状部７４ｂとを備える。この椀形状部７４ｂの内径面(内球面)が前記シール面７３を構成する。

シール外環台座７６は、本体筒部７７と、この本体筒部７７の内側継手部材側の端部に連設される外鍔部７８とかなる。本体筒部７７は、反外鍔部側の厚肉部７７ａと、外鍔部７８側の薄肉部７７ｂとを備える。そして、内側継手部材４６の台座側の端面には、周方向切欠部８０が設けられ、この周方向切欠部８０に、シール外環台座７６の外鍔部７８が嵌合される。この嵌合状態で、内側継手部材４６に螺着されるボルト部材８１を介して外鍔部７８を内側継手部材４６に固着している。

このため、内側継手部材４６とシール外環台座７６とが一体化され、内側継手部材４６とシール外環台座７６とに対してシャフト５６が軸心方向に沿って矢印Ａ方向にスライド（往復動）する。また、シール外環台座７６の内径面とシャフト５６の外径面との間にＯリング等のシールリング８２が介在されている。すなわち、シール外環台座７６の厚肉部７７ａの内径面に周方向凹溝８３が形成され、この周方向凹溝８３にシールリング８２が嵌合されている。

シール外環台座７６の厚肉部７７ａに球面シール外環７４の短筒部７４ａが外嵌され、この短筒部７４ａに螺着されるボルト部材８５を介して、この短筒部７４ａはシール外環台座７６の厚肉部７７ａに固着される。また、球面シール外環７４の短筒部７４ａの内径面とシール外環台座７６の厚肉部７７ａの外径面との間に、Ｏリング等のシールリング８８が介在されている。すなわち、球面シール外環７４の短筒部７４ａの内径面に周方向凹溝８７が形成され、この周方向凹溝８７にシールリング８８が嵌合されている。

球面シール内環７２のシール面７１と、球面シール外環７４のシール面７３との間に、Ｏリング等のシールリング９０が介在されている。すなわち、球面シール内環７２のシール面７１に周方向凹溝８９が形成され、この周方向凹溝８９にシールリング９０が嵌合されている。また、外側継手部材４３の外径面（本体部小径部５１の外径面）と、球面シール内環７２の大径部７２ａの内径面との間に、Ｏリング等のシールリング９２が介在されている。すなわち、球面シール内環７２の大径部７２ａの内径面に周方向凹溝９１が形成され、この周方向凹溝９１にシールリング９２が嵌合されている。

外側継手部材４３の本体部小径部５１に弾性部材（コイルスプリング）９５が装着される。すなわち、弾性部材９５は、大径部５０と小径部５１との間の段差部９６と、球面シール内環７２の大径部７２ａの端面９７との間に介在され、球面シール内環７２を球面シール外環７４側に押圧している。このため、球面シール内環７２のシール面７１と球面シール外環７４のシール面７３とは、弾性的に接触した状態で摺動することになる。

図１に示すように、密封部材Ｓを装着した状態では、球面シール内環７２が、弾性部材９５と球面シール外環７４との間に介在されるものであって、球面シール内環７２のシール面７１と球面シール外環７４のシール面７３とが接触する状態となるとともに、球面シール内環７２の段差部７２ｃが外側継手部材４３の端面５１ａに当接した状態となる。また、球面シール内環７２のシール面７１の球芯Ｏ１と、球面シール外環７４のシール面７３の球芯Ｏ２とが、継手軸心Ｏと同芯であるように設定している。

球面シール内環７２および球面シール外環７４は、耐腐食性に優れたＳＵＳ系材料が好適であるが、耐熱性を目的とする場合には機械構造用炭素鋼であってもよく、さらには、耐熱性に優れたＳｉやフッ素系ゴム等を用いてもよい。

この実施形態では、球面シール内環７２および球面シール外環７４は、素材調質（硬さ：ＨＲｃ２０〜３０）後、無電解ニッケルめっきを施したものとした。これによって、耐食性・耐摩耗性を向上させた。また、球面シール内環７２のシール面７１と球面シール外環７４のシール面７３の少なくともいずれか一方に、フッ素樹脂系コーティングを施すようにするも好ましい。この場合、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を熱融着等によりコーティングすることができる。ＰＴＦＥ以外に、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＥＴＦＥ、分子鎖末端にカルボキシルなどの官能基を有する直鎖および、または環状の、フルオロアルキル重合体またはフルオロポリエーテル重合体などのフッ素系ポリマーを使用することができる。

前記したように構成された等速自在継手では、球面シール内環７２が外側継手部材側に装着され、球面シール外環７４がシール外環台座７６を介して内側継手部材４６に固定されるものであるので、シャフト５６が球面シール外環７４に干渉されることなく、シャフト５６が外側継手部材側に装着される球面シール内環７２に干渉されるまで作動角をとることが可能となる。これによって、従来のこの種のタイプのものよりも大きさ作動角θ（例えば、２０度程度）(図２参照)をとることが可能であり、しかも、シャフト５６の内側継手部材４６に対するスライドを許容するものである。このため、高角度まで作動する必要がある各種の産業機械の動力伝達機構に適用することができる。

ところで、図２は図１に示す等速自在継手が最大作動角をとった状態を示し、この状態では、シール外環台座７６の本体筒部７７の薄肉部７７ｂが球面シール内環７２の小径部７２ｂとコーン部７５との内径側コーナ部のテーパ面７９に接触することになる。小径部７２ｂの径は、ケージ４８が干渉せず、ボール４７の抜け止めを防止できる大きさに設定されている。

球面シール内環７２のシール面７１と球面シール外環７４のシール面７３との間、外側継手部材装着用筒部(大径部)７２ａの内径面と外側継手部材４３の外径面との間に、それぞれシールリング９０、９２を介在させることによって、シール性の向上を図ることができ、安定した密封性を発揮することができる。

球面シール内環７２のシール面７１と、球面シール外環７４のシール面７３とを弾性的に弾性部材９５を介して接触させることによって、常時安定したシール性を発揮することができる。なお、弾性部材９５をばね部材にて構成することができるので、低コスト化を図ることができる。

球面シール内環７２のシール面７１の球芯Ｏ１と球面シール外環７４のシール面７３の球芯Ｏ２とが、継手軸心Ｏと同芯である場合、作動角をとる場合に、密封部材Ｓが滑らかに追従することができる。すなわち、芯位置を合わせることによって、作動角をとった場合の密封部材Ｓの寸法変化を抑えることができ、密封性の向上を図ることができる。

次に、図３は、密封部材Ｓの変形例を示し、この場合、球面シール内環７２が、大径部１００ａと小径部１００ｂとを有するばね台座１００と、前記シール面７１を有するリング体１０１とを備える。

ばね台座１００の大径部１００ａが外側継手部材４３の開口部（本体部４３ａの開口部）に外嵌される。この際、大径部１００ａと小径部１００ｂとの間の段付壁１００ｃが、外側継手部材４３の開口端面５１ａが当接する。

また、リング体１０１は、断面矩形状のリング基部１０１ａと、先端側に向かって拡径するコーン部１０１ｂとからなり、ばね台座１００の小径部１００ｂに外嵌されている。また、ばね台座１００の小径部１００ｂには、リング体１０１のシール面７１を球面シール外環７４のシール面７３に押し付ける弾性部材１０２が外嵌されている。すなわち、弾性部材１０２はコイルスプリングからなり、段付壁１００ｃとリング体１０１との間に介在される。

リング体１０１のシール面７１と球面シール外環７４のシール面７３との間に、シールリング９０が介装されている。すなわち、リング体１０１のシール面７１に周方向凹溝８９を形成し、この周方向凹溝８９にシールリング９０を嵌合させている。また、ばね台座１００の大径部１００ａの内径面と、外側継手部材４３の小径部５１の外径面との間に、シールリング９２が介装されている。すなわち、ばね台座１００の大径部１００ａの内径面に周方向凹溝９１が形成され、この周方向凹溝９１にシールリング９２が嵌合されている。

この図３に示す等速自在継手の構成は、図１に示す等速自在継手と同様であるので、同一部材について、図１に示す符号と同一の符号を付してそれらの説明を省略する。このため、この図３に示す等速自在継手であっても、図１に示す等速自在継手と同様の作用効果を奏する。

特に、球面シール内環７２を、ばね台座１００とリング体１０１とで構成したので、シール面７１が摩耗等した場合、リング体１０１のみを交換することができ、メンテナンス性に優れる。また、ばね台座１００とリング体１０１とを異なる材質で構成できる。このように異なる材質で構成することによって、生産性の向上やコスト低減を図ることができる。

図４に示す密封部材Ｓも、球面シール内環７２が、大径部１０５ａと小径部１０５ｂとを有するばね台座１０５と、前記シール面７１を有するリング体１０６とを備える。リング体１０６は断面三角形状のリング体であって、外方の傾斜面がシール面７１となる。

また、ばね台座１０５の小径部１０５ｂのリング体側の端面が、外径側から継手内部側に向かって縮径するテーパ面１０８とされ、このテーパ面１０８にリング体１０６の内方の傾斜面１０７が当接する。ばね台座１０５の大径部１０５ａの内径面と、外側継手部材４３の小径部５１の外径面との間に、シールリング９２が介装されている。すなわち、ばね台座１０５の大径部１０５ａの内径面に周方向凹溝９１が形成され、この周方向凹溝９１にシールリング９２が嵌合されている。

この場合のリング体１０６は、ゴムや樹脂製等の弾性材で構成できる。このように構成することによって、シール性の向上や軽量化を図ることができる。ゴム材としては、ＣＲ，ＮＲ，ＮＢＲ，Ｓｉ，ＡＣＭ，ＦＰＭ／ＦＫＭ等があり、樹脂材としては、ＰＴＦＥ等のフッ素樹脂、ポリアミド系の合成繊維等がある。そして、サークリップ等のリング状体１１０がこのリング体１０６に内嵌されている。すなわち、リング体１０６の内径面に周方向溝１１１を設け、この周方向溝１１１にリング状体１１０を嵌合する。このため、リング体１０６は、リング状体１１０によって拡径する方向に押圧され、傾斜面１０７がばね台座１０５のテーパ面に圧接するとともに、シール面７１が球面シール外環７４のシール面７３に圧接する。すなわち、この図４に示す等速自在継手であっても、球面シール内環７２のシール面７１と、球面シール外環７４のシール面７３とが弾性的に接触することになる。

この図４に示す等速自在継手の構成は、図１に示す等速自在継手と同様であるので、同一部材について、図１に示す符号と同一の符号を付してそれらの説明を省略する。このため、この図４に示す等速自在継手であっても、図１に示す等速自在継手と同様の作用効果を奏する。

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、図例では、ツェッパ型の固定式等速自在継手であったが、アンダーカットフリー型の固定式等速自在継手であっても、ダブルオフセット型、クロスグルーブ型、又はトリポード型等の摺動式等速自在継手であってもよい。また、図３に示す球面シール内環７２において、リング体１０１をＰＴＦＥ等のフッ素樹脂、ポリアミド系の合成繊維、ゴム材（ＣＲ，ＮＲ，ＮＢＲ，Ｓｉ，ＡＣＭ，ＦＰＭ／ＦＫＭ等）等からなる弾性体にて構成してもよい。

４３ 外側継手部材
４６ 内側継手部材
４７ ボール(トルク伝達部材)
７１ シール面
７２ 球面シール内環
７２ａ 大径部（装着部）
７３ シール面
７４ 球面シール外環
７６ シール外環台座
９０、９２ シールリング
９５ 弾性部材
１００ ばね台座
１０１ リング体
１０２ 弾性部材
１０５ ばね台座
１０６ リング体
１０７ 傾斜面
１０８ テーパ面
１１０ リング状体
Ｓ 密封部材

Claims (8)

1. 軸方向に延びる複数のトラック溝が内径面に円周方向等間隔で形成された外側継手部材と、
   前記外側継手部材のトラック溝と対応させて軸方向に延びる複数のトラック溝が外径面に円周方向等間隔で形成された内側継手部材と、
   前記外側継手部材のトラック溝と前記内側継手部材のトラック溝とが協働して形成されたボールトラックに配されたトルク伝達部材である複数のボールと、
   前記外側継手部材の内径面と前記内側継手部材の外径面との間に介在してボールを保持するケージとを備えた等速自在継手であって、
   密封部材が付設され、前記密封部材は、凸球面状のシール面を有する球面シール内環と、この球面シール内環のシール面と相対的に摺接する凹球面状のシール面を有する球面シール外環とを備え、前記球面シール内環が外側継手部材側に装着され、前記球面シール外環がシール外環台座を介して前記内側継手部材側に固定され、
   前記球面シール内環と前記球面シール外環はともに金属製で、かつ前記球面シール内環のシール面の球芯と、前記球面シール外環のシール面の球芯とが、継手軸芯と同芯であることを特徴とする等速自在継手。
2. 球面シール内環のシール面と、球面シール外環のシール面との間にシールリングを介在させるとともに、球面シール内環は外側継手部材の開口部に外嵌される外側継手部材装着用筒部を有し、この筒部の内径面と外側継手部材の外径面との間にシールリングを介在させたことを特徴とする請求項１に記載の等速自在継手。
3. 球面シール内環のシール面と、球面シール外環のシール面とを弾性的に接触させたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の等速自在継手。
4. 弾性的に接触させるための弾性部材を備え、この弾性部材が外側継手部材に外嵌されるばね部材にて構成したことを特徴とする請求項３に記載の等速自在継手。
5. 球面シール内環は、筒状のばね台座と、前記シール面を有するリング体とを備え、ばね台座の外側継手部材側開口部が外側継手部材の開口部に外嵌されるとともに、ばね台座の反外側継手部材側に前記リング体が付設され、かつ、リング体のシール面を球面シール外環のシール面に押し付ける前記弾性部材がばね台座に外嵌されていることを特徴とする請求項３に記載の等速自在継手。
6. 球面シール内環は、筒状のばね台座と、前記シール面を有するリング体とを備え、球面シール外環のシール面とリング体のシール面対応面とを密着させるリング状の付勢体をリング体に付設したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の等速自在継手。
7. 前記シールリングがゴム又は樹脂の弾性材からなることを特徴とする請求項２に記載の等速自在継手。
8. 球面シール内環のリング体がゴム又は樹脂の弾性材からなることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の等速自在継手。

Images