JP6113465B2 - 固定式等速自在継手 - Google Patents

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８〜１０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８は図９のVIII−VIII線に沿った断面を示し、図９は図８のIX−IX線に沿った断面を示している。図９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（またはセレーション。以下同じ）孔１１２が形成してあり、このスプライン孔１１２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。内輪１１０は球面状の外周面１１４を有し、その外周面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８）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１０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、内周面１３４で内輪１１０の外周面１１４と球面接触し、外周面１３６で外輪１２０の内周面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１１４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を外側継手部材（外輪）２０の外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、球面状の外周面に複数のボール溝を円周方向に等ピッチで形成した内側継手部材と、球面状の内周面に複数のボール溝を円周方向に等ピッチで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、前記外側継手部材の外径側に位置し、前記ボールの列を外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、前記ボールの数が、６、８、１０の何れかである。また、この発明の固定式等速自在継手は、球面状の外周面に複数のボール溝を円周方向に等ピッチで形成した内側継手部材と、球面状の内周面に複数のボール溝を円周方向に等ピッチで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、前記外側継手部材の外径側に位置し、前記ボールの列を外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、前記ボール保持部材が球面状の内周面を有し、前記外側継手部材の外周面と前記ボール保持部材の内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、これを外側継手部材（外輪）２０の外径側に配置したものである。このボール保持部材３２は、ボール列を外径側から支持する。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の内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の形は玉軸受の軸受外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３２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３２は外側継手部材２０の外径側に位置し、内側継手部材１０〜ボール３０〜外側継手部材２０といったトルク伝達経路中にはなく、ボール３０や内側継手部材１０、外側継手部材２０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。

この発明の実施例を示す固定式等速自在継手の縦断面図である。 図１の固定式等速自在継手の横断面図である。 （Ａ）は内輪の正面図、（Ｂ）は側面図である。 （Ａ）は外輪の縦断面図、（Ｂ）は側面図である。 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。 従来の固定式等速自在継手の中立状態の縦断面図である。 図８の固定式等速自在継手の横断面図である。 図８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は組み立てた状態の固定式等速自在継手を示し、図１は図２のＩ‐Ｉ線に沿った断面に
相当し、図２は図１のＩＩ‐ＩＩ線に沿った断面に相当する。図１および図２に示すように、
固定式等速自在継手は、内側継手部材としての内輪１０と、外側継手部材としての外輪２０と、トルク伝達部材としてのボール３０と、ボール３０を保持するボール保持部材３２を主要な構成要素としている。なお、図示は省略したが、ブーツを装着してその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。

内輪１０は、図３に示すように、軸心部に軸孔１２を有し、図示しないシャフトとトルク伝達可能に結合するようになっている（図８参照）。図面には軸孔１２が内輪１０を軸方向に貫通している場合を例示したが、盲孔であってもよい。内輪１０の外周面１４は球面状で、その曲率中心は継手中心Ｏと一致する（図１）。内輪１０の外周面１４には円周方向に等ピッチでボール溝１６が形成してある。ボール溝１６は円弧状で、その曲率中心は継手中心Ｏと一致する（図１）。したがって、ボール溝１６の深さは内輪１０の軸方向で一定である。

外輪２０は、図４および図５に示すように、球状部分２２と軸状部分２８とからなり、球状部分２２の中心は軸状部分２８の中心軸線の延長線上にある。軸状部分２８は、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２２は内部が空洞で、球面状の内周面２４ａと球面状の外周面２４ｂは同心球面状となっている。したがって、球状部分２２の肉厚は一定である。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の内周面２４ａおよび外周面２４ｂの曲率中心は継手中心Ｏと一致する。

外輪２０の球状部分２２の内周面２４ａは内輪１０の外周面１４と球面嵌合する。外輪２０の球状部分２２の外周面２４ｂはボール保持部材３２の内周面３４と球面嵌合する。なお、球状部分２２の外周面２４ｂとボール保持部材３２の内周面３４との球面嵌合部は、球状部分２２の内周面２４ａと内輪１０の外周面１４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。

外輪２０の球状部分２２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２６が形成してある。言わば、従来の固定式等速自在継手（図８および図９参照）における外輪１１０の外径側を除去した格好である。そして、上述の内周面２４ａと外周面２４ｂは、これらの指状部分の内周面と外周面でもある。すでに述べたとおり、内周面２４ａと外周面２４ｂは同心で、指状部分の厚さが均一であるため、ボール溝２６の深さも外輪１０の軸方向で一定である。図４（Ａ）に示すように、各ボール溝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。

円周方向に等ピッチで形成した指状部分の間に形成されるボール溝２６も円周方向に等ピッチで、また、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４（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。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。ボール溝２６の側壁２６ａ、言い換えれば、指状部分の側壁２６ａの断面形状は、図２に示すようにボール３０を抱き込む円弧状とするほか、平坦とすることもできる。

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。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２６ａに伝わる（図２参照）。

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、図示した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。

従来の固定式等速自在継手（図８〜１０）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、上述の実施例では、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。

図１（Ｂ）から分かるように、ボール列の外径側にボール保持部材３２が位置している。ボール保持部材３２は、図６および図７に示すように、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。図示したボール保持部材３２の場合、外周面３８が円筒形状で、内周面３４は、ボール保持部材３２の中心軸線上に曲率中心をもった球面状である。すでに述べたとおり、この内周面３４は外輪２０の球状部分２２の外周面２４ｂ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の内周面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の内周面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は外輪２０の半径方向両側に部分的に突出し、半径方向内側に突出した部分は内輪１０のボール溝１６と接触し、半径方向外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６（Ａ）に示す例では、環状溝３６は横断面が円弧形状で、ボール３０のボール列の外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外接円に相当する。なお、ボール保持部材３２がボール列をその外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外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と外輪２０の外周面２４ａ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外径側へのボール３０の移動が規制され、かつ、内輪１０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２６の側壁２６ａを凹曲面にしてボール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。

ボール保持部材３２は、環状溝３６にボール３０を組み込むことができるようにするため、二分割構造とすることができる。たとえば、図６（Ｂ）および図７に示すように、ボール保持部材３２の軸線を含む平面で分割するほか、環状溝３６の中心を通りボール保持部材３２の軸線に垂直な平面で分割する。内輪１０と外輪２０とボール３０とからなるサブアセンブリを組み立てた後で、二分割構造のボール保持部材３２を組み付けることで固定式等速自在継手の組立てが完了するようにすれば、従来の固定式等速自在継手に比べて組立作業が非常に簡略化できる。従来の固定式等速自在継手の場合、ボールを組み込む作業が煩雑であった。すなわち、外輪の内部に内輪とケージを挿入し、ボール溝の位相を合わせた状態で、内輪とケージをそれぞれ所定のボール組み込み角度に変位させてケージのポケットを外輪の端面から臨ませた状態で、１個ずつ組み込む必要があった。

以上の説明では図面に例示した固定式等速自在継手を例にとったが、この発明は、その要旨に悖ることなく種々改変して実施をすることが可能である。一例を挙げるならば、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は円筒形状の外周面３８をもったリング状であるが、外周面３８の形状は任意である。また、二分割構造のボール保持部材を組み付けた後の固定方法に関しても、ボルト・ナットを利用するなど、任意の固定手段を選択して採用することができる。

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

Claims (8)

1. 球面状の外周面に複数のボール溝を円周方向に等ピッチで形成した内側継手部材と、
   球面状の内周面に複数のボール溝を円周方向に等ピッチで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、
   前記外側継手部材の外径側に位置し、前記ボールの列を外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、
   前記ボールの数が、６、８、１０の何れかである固定式等速自在継手。
2. 前記ボール保持部材が球面状の内周面を有し、前記外側継手部材の外周面と前記ボール保持部材の内周面を球面嵌合させた請求項１の固定式等速自在継手。
3. 前記内側継手部材の外周面と前記外側継手部材の内周面を球面嵌合させた請求項１の固定式等速自在継手。
4. 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、２、または３の固定式等速自在継手。
5. 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４の固定式等速自在継手。
6. 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内周面の曲率中心が一致している請求項４または５の固定式等速自在継手。
7. 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６のいずれか１項の固定式等速自在継手。
8. 球面状の外周面に複数のボール溝を円周方向に等ピッチで形成した内側継手部材と、
   球面状の内周面に複数のボール溝を円周方向に等ピッチで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、
   前記外側継手部材の外径側に位置し、前記ボールの列を外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、
   前記ボール保持部材が球面状の内周面を有し、前記外側継手部材の外周面と前記ボール保持部材の内周面を球面嵌合させた固定式等速自在継手。

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