JP6099942B2

JP6099942B2 - 固定式等速自在継手

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Publication number: JP6099942B2
Application number: JP2012252356A
Authority: JP
Inventors: 達朗杉山
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2032-11-16
Also published as: JP2014101900A

Description

この発明は、固定式等速自在継手に関する。

等速自在継手は、駆動側の回転軸と従動側の回転軸を連結してトルクを伝達する働きをし、２軸が角度をとった状態でも角速度が変動しないため、自動車や各種産業機械の動力伝達系をはじめ広く使用されている。各種の等速自在継手が知られているが、角度変位だけが可能な固定式と、軸方向変位（プランジング）も可能なしゅう動式とに大別できる。固定式等速自在継手としては、ツェッパジョイント、アンダーカットフリージョイントなどがある。

固定式等速自在継手の代表例としてツェッパジョイントについて説明するならば、図１３〜１５に示すように、内側継手部材としての内輪１１０と、外側継手部材としての外輪１２０と、トルク伝達部材としてのボール１３０と、ボール１３０を保持するケージ１３２とを主要な構成要素としている。ここで、図１３は図１４のXIII−XIII線に沿った断面を示し、図１４は図１３のXIV−XIV線に沿った断面を示している。図１４から分かるように、内側から外側に向かって内輪１１０、ケージ１３２、外輪１２０の順に三層構造をなしている。内輪１１０を駆動側または従動側の回転軸と接続し、外輪１２０を従動側または駆動側の回転軸と接続する。

内輪１１０は軸心にスプライン孔１１２が形成してあり、このスプライン孔１１２で駆動側または駆動側の回転軸とトルク伝達可能に結合するようになっている。内輪１１０は球面状の外周面１１４を有し、その球面状外周面１１４に、内輪１１０の軸方向に延びた複数のボール溝１１６が円周方向に等間隔に形成してある。

外輪１２０は、図示した例は軸方向の一端で開口したベル型で、マウス部１２２とステム部１２８とからなり、ステム部１２８に形成したスプライン（またはセレーション。以下同じ）で従動側または駆動側の回転軸とトルク伝達可能に結合するようになっている。マウス部１２２は球面状の内周面１２４を有し、その球面状内周面１２４に、外輪１２０の軸方向に延びた複数のボール溝１２６が円周方向に等間隔に形成してある。

内輪１１０のボール溝１１６と外輪１２０のボール溝１２６は対をなし、各対のボール溝１１６、１２６間にボール１３０が組み込んである。縦断面（図１３）で見るとボール溝１１６、１２６は円弧状で、内輪１１０のボール溝１１６の曲率中心Ｏ１と外輪１２０のボール溝１２６の曲率中心Ｏ２は、継手中心Ｏから互いに反対側に等距離Ｆだけオフセットした位置にある。したがって、対をなすボール溝１１６、１２６によって形成されるボールトラックは、外輪１２０の開口側に向かって徐々に拡大したくさび状を呈する。

ケージ１３２は円環状で、内輪１１０と外輪１２０との間に介在する。そして、ケージ１３２の球面状の内周面１３４は内輪１１０の球面状外周面１１４と球面接触し、ケージ１３２の球面状の外周面１３６は外輪１２０の球面状内周面１２４と球面接触する。ケージ１３２には、半径方向に貫通するポケット１３８が円周方向に所定間隔で形成してあり、各ポケット１３８にボール１３０が収容され、したがって、すべてのボール１３０はケージ１３２によって同一平面上に保持される。

述べたような構成であるため、図１５に示すように駆動側と従動側の２軸が角度θをとった状態で回転すると、くさび状のボールトラック１１６、１２６の作用で、外輪１２０の開口側へボール１３０を押し出そうとする力が作用する。この力をケージ１３２が受け止める結果、ケージ１３２は常に、角度θを二等分する平面Ｐ上にボール列を配向せしめる。その結果、２軸が角度θをとった状態でも、ボール１３０の中心から各回転軸に降ろした垂線（回転半径）の長さが一定となり、各回転軸の角速度が変動することはない。

Universal Joint and Driveshaft Design Manual, Advanced Engineering Series No.7, The Society of Automobile Engineers, Inc., pp. 145-150

従来の固定式等速自在継手は、トルク伝達部材として複数のボール１３０を用い、それらのボール１３０を同一平面上に保持するためにケージ１３２を必要とする。ケージ１３２は内輪１１０と外輪１２０との間に介在し、球面状内周面１３４で内輪１１０の球面状外周面１１４と球面接触し、球面状外周面１３６で外輪１２０の球面状内周面１２４と球面接触する。また、ケージ１３２には、ボール１３０を個別に収容するためのポケット１３８がボール１３０の数だけ設けてある。このような複雑な形状であるため、ケージ１３２の製造には多工程を要し、しかも高精度が要求されるため、等速自在継手全体のコスト高の一つの要因ともなっている。

また、ケージ１３２の円周方向にボール１３０の数だけポケット１３８を加工する必要があるが、個別に加工せざるを得ないため、すべてのポケット１３８の寸法や軸方向位置が全く同一に仕上がる保証はない。その結果、ポケット１３８がいわゆる千鳥配置となってしまうこともあり、すべてのボール１３０を同一平面上に保持するというケージの機能が損なわれ、固定式等速自在継手の等速性や振動特性等に悪影響を及ぼすおそれがある。

また、従来、ケージ１３２を内輪１１０と外輪１２０との間に介在させ、トルクは内輪１１０からボール１３０およびケージ１３２を経て外輪１２０に、あるいはその逆に、伝達される。しかも、内輪１１０の外周面１１２とケージ１３２の内周面１３４、ケージ１３２の外周面１３６と外輪１２０の内周面１２４といった２箇所の球面嵌合部位が存在していた。したがって、とりわけ高負荷下や高速回転時に、すべり摩擦によるトルク損失や発熱の問題があった。

この発明の主要な目的は上述の問題点を除去することにあり、具体的には、ケージ形状を簡易化した固定式等速自在継手の新規な構造を提供することにある。

この発明は、従来のようにケージ１３２を内輪１１０と外輪１２０との間に介在させるのではなく、従来のケージ１３２に代わる部材としてのボール保持部材３２を内輪１２０の内径側に配置することによって課題を解決した。すなわち、この発明の固定式等速自在継手は、球面状外周面に複数のボール溝を円周方向に等間隔に形成した内側継手部材と、球面状内周面に複数のボール溝を円周方向に等間隔に形成した外側継手部材と、対をなす前記内側継手部材のボール溝と前記外側継手部材のボール溝との間に介在させたボールと、前記内側継手部材の内径側に位置し、前記ボールの列を内径側から支持してすべてのボールを同一平面上に保持するボール保持部材とを具備し、前記内側継手部材が球面状内周面を有し、前記ボール保持部材が球面状外周面を有し、前記内側継手部材の球面状内周面と前記ボール保持部材の球面状外周面を球面嵌合させている。

従来の固定式等速自在継手では、内輪１１０と外輪１２０との間にケージ１３２を介在させているのに対して、この発明では、従来のケージ１３２に代わるものとしてボール保持部材３２を採用し、これを内輪１０の内径側に配置したものである。このボール保持部材３２は、ボール列を内径側から支持する。したがって、従来のケージ１３２に必須であったポケット１３８を廃止することができ、ボール保持部材３２の外形は、リングあるいは円柱といった、非常に簡易な回転体とすることができる。ここで、回転体とは、平面図形が同一平面上にある一つの直線を軸として回転して生ずる立体すなわち回転体と定義される。

すべてのボール３０を同一平面上に保持する機能は、たとえば、ボール保持部材３２の外周に全周にわたる環状溝３６を設けて、この環状溝３６に沿ってボール３０を整列させるようにすれば一層確実となる。この場合のボール保持部材３２の外形は玉軸受の内輪のような形状となる。

この発明によれば、従来のケージに代わるボール保持部材３２の形状が非常に簡易化され、しかも、回転体であるため旋削や研削で容易に、精度よく、加工することができ、サイクルタイムも大幅に短縮できる。また、ポケットを廃止したので、従来のようにポケットを千鳥に加工してしまう心配は皆無である。したがって、高精度のボール保持部材を歩留まりよく、しかも低コストで製造することができ、固定式等速自在継手の精度向上とコスト低減に貢献する。さらに、ボール保持部材は内側継手部材の内径側に位置し、内側継手部材〜ボール〜外側継手部材といったトルク伝達経路中にはなく、ボールや内側継手部材、外側継手部材から直接力を受けることがないため、トルク損失や発熱が減少し、耐久性が向上する。

固定式等速自在継手の縦断面図である。固定式等速自在継手の横断面図である。（Ａ）は内輪の縦断面図、（Ｂ）は端面図である。内輪の斜視図である。（Ａ）は外輪の縦断面図、（Ｂ）は端面図である。外輪の斜視図である。（Ａ）はボール保持部材の正面図、（Ｂ）は側面図である。ボール保持部材の斜視図である。（Ａ）は内輪の縦断面図、（Ｂ）は端面図である。内輪の斜視図である。（Ａ）は外輪の縦断面図、（Ｂ）は端面図である。外輪の斜視図である。従来の固定式等速自在継手（ツェッパジョイント）の中立状態の縦断面図である。図１３の固定式等速自在継手の横断面図である。図１３の固定式等速自在継手が角度θをとった状態の縦断面図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。添付図面中、図１および図２は基本的形態を説明するための図であって、図３〜８は第一の実施例を示し、図９〜１２は第二の実施例を示す。また、図１は図２のＩ‐Ｉ線に沿った断面を示し、図２は図１
のＩＩ‐ＩＩ線に沿った断面を示す。図１および図２に示すように、固定式等速自在継手は、
内輪１０と、外輪２０と、ボール３０と、ボール保持部材３２を主要な構成要素としている。なお、図示は省略したが、ブーツを装着して内部に潤滑用のグリースまたはオイルを充填した状態で使用するのが一般的である。

まず、図１〜８を参照して第一の実施例について述べる。

内輪１０は、図３および図４に示すように、球状部分１２と軸状部分１８とからなり、軸状部分１８で駆動側または従動側の回転軸とトルク伝達可能に接続するようになっている。球状部分１２の内周面１４ａと外周面１４ｂは同心球面となっている。図１に示すように、中立状態にある固定式等速自在継手において、内輪１０の球面状内周面１４ａと球面状外周面１４ｂの曲率中心は継手中心Ｏと一致する。球状部分１２の内周面１４ａはボール保持部材３２の外周面３４と球面嵌合する。球状部分１２の外周面１４ｂは外輪２０の内周面２２と球面嵌合する。球状部分１２の内周面１４ａとボール保持部材３２の外周面３４との球面嵌合部は、球状部分１２の外周面１４ｂと外輪２０の内周面２２との球面嵌合部に比べて、ルーズな嵌合とすることもできる。

内輪１０の球状部分１２は円周方向に等ピッチで配置した指状の部分からなり、これらの指状部分の間にボール溝１６が形成してある。言わば、従来の固定式等速自在継手（図１３および図１４参照）における内輪１１０の内径側を除去した格好である。そして、上述の球面状内周面１４ａと球面状外周面１４ｂは、これらの指状部分の内周面と外周面でもある。球面状内周面１４ａと球面状外周面１４ｂは同心であるため厚さが均一である。したがって、ボール溝１６の深さも内輪１０の軸方向で均一となっている。

各ボール溝１６は内輪１０の中心軸線に対して傾斜し（図３（Ａ）参照）、かつ、隣り合ったボール溝１６どうしは傾斜の向きが逆になっている。ボール溝１６の側壁、言い換えれば、ボール溝１６を挟んで円周方向に向かい合った指状部分の側壁は、ボール３０を抱き込む円弧状断面とするほか、平坦面とすることもできる（図２参照）。

外輪２０は、図５および図６に示すように、円筒形状の外周面２２と両端面２８をもったディスク型である。外輪２０は、フランジ結合を利用して従動側または駆動側の回転軸とトルク伝達可能に接続するようになっている。なお、ディスク型外輪に代えてベル型外輪（図１３参照）を採用することも可能である。外輪２０は中心軸線上に曲率中心をもった部分球面状の内周面２４を有する。すでに述べたとおり、この球面状内周面２４は内輪１０の球面状外周面１４ｂと球面嵌合する。図１に示すように、中立状態にある固定式等速自在継手において、外輪２０の球面状内周面２４の曲率中心は継手中心Ｏと一致する。

外輪２０の球面状内周面２４には複数のボール溝２６が円周方向に等ピッチで形成してある。外輪２０のボール溝２６の曲率中心も継手中心Ｏと一致する。すなわち、縦断面（図１および図５（Ａ））で見たとき、各ボール溝２６は内周面２４の曲率中心を曲率中心とする円弧形状を呈する。したがって、ボール溝２６の深さは外輪１０の軸方向で均一となっている。ボール溝２６の横断面形状は、円、楕円、ゴシックアーチ等が知られている。また、ボール溝２６は外輪２０の中心軸線に対して傾斜し、かつ、隣り合ったボール溝２６どうしは傾斜の向きが逆になっている。

内輪１０のボール溝１６と外輪２０のボール溝２６は対をなし、各対のボール溝１６、２６間にボール３０を介在させる。対をなすボール溝１６、２６は傾斜の向きが逆となる組み合わせとする。ボール３０の数、したがってまたボール溝１６、２６の数は任意で、たとえば６、８、１０などが知られているが、図１〜８に示す第一の実施例はボール数を８とした場合の例である。ボールの数が増えると１個あたりの荷重が小さくなり、小径のボールを使用することができ、ボール列のＰＣＤも小さくすることができるため、固定式等速自在継手の外径を小さくしたコンパクトな設計が可能となる。ボール３０は内輪１０と外輪２０との間でトルクを伝達する役割を果たす。すなわち、たとえば内輪１０を駆動側の回転軸と接続した場合、トルクは、内輪１０のボール溝１６の側壁からボール３０に伝わり、さらにボール３０から外輪２０のボール溝２６の側壁に伝わる（図２参照）。

ボール列の内径側にボール保持部材３２が位置している。図示したボール保持部材３２は、平面図形が同一平面上にある一つの直線を軸として回転して生ずる立体すなわち回転体である。図７および図８に示すように、ボール保持部材３２は球面状の外周面３４を有し、すでに述べたとおり、この球面状外周面３４は内輪１０の球面状内周面１４ａと球面嵌合する。図１に示すように、中立状態にある固定式等速自在継手において、ボール保持部材３２の球面状外周面３４の曲率中心は継手中心Ｏと一致する。ボール保持部材３２の球面状外周面３４には、その全周にわたって環状溝３６が形成してある。そして、図１から分かるとおり、ボール３０は内輪１０の半径方向両側に部分的に突出し、半径方向外側に突出した部分は外輪２０のボール溝２６と接触し、半径方向内側に突出した部分はボール保持部材３２の環状溝３６と接触する。

図７（Ａ）に示すように、環状溝３６は横断面が円弧形状で、ボール３０のボール列の内径側における部分を収容する。したがって、この環状溝３６の溝底はボール列の内接円に相当する。なお、ボール保持部材３２がボール列をその内径側から支持するというとき、両者の接触位置は必ずしもボール列の内接円と一致するとは限らない。すべてのボール３０が一つの環状溝３６に沿って整列する結果、すべてのボール３０が同一平面上に保持される。また、このような形状であることから、ボール保持部材３２は中心軸線のまわりを回転（自転）することができる。

ボール列が環状溝３６に収容されることから、逆に、ボール保持部材３２もボール列によって支持される関係にある。したがって、すでに述べたように、ボール保持部材３２と内輪１０の内周面１４ａとの嵌合はルーズなものとすることができる。このように、ボール保持部材３２の存在によって、ボール列の内径側へのボール３０の移動が規制されるため、必ずしもボール溝１６の側壁にボール３０を抱く機能をもたせる必要はなく、加工が容易な平坦面にしてもよい。

環状溝３６の断面形状は上述の円弧形状に限らず、Ｖ字形状や楕円形状であってもよい。また、図示した例ではボール保持部材３２は円筒形状の内周面３８をもったリング状であるが、内周面３８の形状は任意である。また、軸方向の貫通穴をもったリング状のボール保持部材３２の場合を例示したが、中実すなわち円柱状とすることも可能である。リング状とすることで当該固定式等速自在継手の軽量化に資することは言うまでもないが、中実の場合は潤滑グリースの充填量が少なくてすむという利点がある。そこで、中空にした上で、別途、中空部を塞ぐキャップ等を使用することにより、両者の利点を併せ持つボール保持部材とすることも可能である。

従来の固定式等速自在継手では、くさび状のボールトラック１１６、１２６の作用で、くさびの狭い側から広い側へ、ボール１３０を軸方向に押す力が発生し、これをケージ１３２によって受け止めてボール１３０の飛び出しを防止するようにしている。これに対して、第一の実施例では、ボール溝１６、２６の深さを均一にするとともに、対をなす内輪１０のボール溝１６と外輪２０のボール溝２６を互いに逆向きに傾斜させることによって交差させ、その交点にボール３０を組み込んである。

次に、図９〜１２を参照して第二の実施例を説明する。

第二の実施例が上述の第一の実施例と異なるのは、ボールの数と、ボール溝の傾斜の向きに関してだけである。したがって、第一の実施例における要素と同じ要素には同じ符号を用いることとする。なお、ボール保持部材３２は第一の実施例と同じものを使用することができ、このことはボール３０の数とは関係がない。この第二の実施例ではボール３０の数が６で、したがってボール溝１１６、１２６の数も６である。

図９および図１０に示すように、内輪１０のボール溝１６は内輪１０の中心軸線に対して傾斜している。第一の実施例と異なり、内輪１０のボール溝１６はすべて同じ向きに傾斜している。
図１１および図１２に示すように、外輪２０のボール溝２６は外輪２０の中心軸線に対して傾斜している。ここでも、第一の実施例と異なり、外輪２０のボール溝２６はすべて同じ向きに傾斜している。
対をなす内輪１０のボール溝１６と外輪２０のボール溝２６は、互いに反対方向に傾斜している。

第二の実施例は、内輪１０のボール溝１６がすべて同じ向きに傾斜しているため、第一の実施例に比べて内輪１０の加工が容易である。同様に、外輪２０のボール溝２６もすべて同じ向きに傾斜しているため、第一の実施例に比べて外輪２０の加工が容易である。すなわち、隣り合ったボール溝が逆向きに傾斜していると、ボール溝の加工に際し、傾斜の向きが同じ一群のボール溝の加工を終えた後、位置決めをやり直してから、もう一群のボール溝の加工を行う必要がある。内輪１０のボール溝１６がすべて同じ向きに傾斜している、つまり、すべて平行であると、内輪１０の加工の際、位置決めは１回だけでよいため、位置決め作業が簡単で、加工サイクルタイムも短縮できる。

１０内輪（内側継手部材）
１２球状部分
１４ａ内周面
１４ｂ外周面
１６ボール溝
１８軸状部分
２０外輪（外側継手部材）
２２外周面
２４内周面
２６ボール溝
２８端面
３０ボール（トルク伝達部材）
３２ボール保持部材
３４外周面
３６環状溝
３８内周面

Claims

球面状外周面に複数のボール溝を円周方向に等間隔に形成した内側継手部材と、
球面状内周面に複数のボール溝を円周方向に等間隔に形成した外側継手部材と、
対をなす前記内側継手部材のボール溝と前記外側継手部材のボール溝との間に介在させたボールと、
前記内側継手部材の内径側に位置し、前記ボールの列を内径側から支持してすべてのボールを同一平面上に保持するボール保持部材と
を具備し、
前記内側継手部材が球面状内周面を有し、前記ボール保持部材が球面状外周面を有し、前記内側継手部材の球面状内周面と前記ボール保持部材の球面状外周面を球面嵌合させた固定式等速自在継手。
前記外側継手部材が球面状内周面を有し、前記内側継手部材が球面状外周面を有し、前記外側継手部材の球面状内周面と前記内側継手部材の球面状外周面を球面嵌合させた請求項１の固定式等速自在継手。
前記内側継手部材のボール溝の曲率中心が前記内側継手部材の中心軸線上にあり、前記外側継手部材のボール溝の曲率中心が前記外側継手部材の中心軸線上にある請求項１または２の固定式等速自在継手。
前記内側継手部材のボール溝の曲率中心と前記外側継手部材のボール溝の曲率中心が一致している請求項３の固定式等速自在継手。
前記内側継手部材のボール溝の曲率中心と前記内側継手部材の球面状外周面の曲率中心が一致し、前記外側継手部材のボール溝の曲率中心と前記外側継手部材の球面状内周面の曲率中心が一致している請求項３または４の固定式等速自在継手。
前記内側継手部材のボール溝が前記内側継手部材の中心軸線に対して傾斜し、前記外側継手部材のボール溝が前記外側継手部材の中心軸線に対して傾斜し、対をなす前記内側継手部材のボール溝と前記外側継手部材のボール溝が交差している請求項１ないし５のいずれか１項の固定式等速自在継手。
前記内側継手部材のボール溝は隣り合うボール溝どうしが逆向きに傾斜し、前記外側継手部材のボール溝は隣り合うボール溝どうしが逆向きに傾斜している請求項６の固定式等速自在継手。
前記内側継手部材のボール溝は隣り合うボール溝どうしが同じ向きに傾斜し、前記外側継手部材のボール溝は隣り合うボール溝どうしが同じ向きに傾斜している請求項６の固定式等速自在継手。
前記ボール保持部材は外周に全周にわたる環状溝を有する請求項１ないし８のいずれか１項の固定式等速自在継手。