KR100640304B1 - 십자축 및 십자축 연결부 - Google Patents

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Abstract

십자축의 각 트러니온(trunnion)의 외주면에 있어서 롤러베어링의 롤러의 궤도면이 되는 영역의 박리수명이나 구부림 피로강도를 향상시키는 것을 그 과제로 한다.
십자축(4)은 다수열의 롤러베어링(5A~5D)이 외장되는 4개의 트러니온(41~44)을 갖는다. 각 트러니온(41~44)의 단면에 요부(46)가 배치되고 있다. 이 요부(46)의 바닥측 영역(46a)은 구면형상으로 형성되고 있다. 이 요부(46)에 있어서 구면형상의 바닥측 영역(46a)을 제외한 개구측 영역(46b)의 내경치수는 요부(46)의 개구단테두리를 향함에 따라 점차 크게 설정되고 있다. 요부(46)의 개구단테두리로부터 가장깊은 부까지의 깊이가 롤러의 축심방향 길이의 30~70%로 설정되고 있다. 이와같은 펀치볼모양의 요부(46)을 배치함으로써 십자축(4)의 각 트러니온(41~44)의 충분한 강도를 확보하며 각 트러니온(41~44)의 강성을 낮출 수 있다.

Description

십자축 및 십자축 연결부{CROSS SHAFT AND CROSS SHAFT JOINT}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 십자축 연결부를 분해한 사시도.
도 2는 도 1의 삽자축 연결부를 도시하는 정면도.
도 3은 십자축의 트러니온을 도시하는 단면도.
도 4는 트러니온의 요부(凹部)의 변형예로 도 3에 대응하는 도면.
도 5는 트러니온의 요부의 변형예로 도 3에 대응하는 도면.
도 6은 십자축의 다른 실시예를 도시하는 평면도.
도 7은 트러니온의 다른 실시예를 도시하는 단면도.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
1: 십자축 연결부 2: 제 1회전축
3: 제 2회전축 4: 십자축
41~44: 십자축의 트러니온 46: 트러니온의 요부
46a: 요부의 바닥측 영역
46d: 요부의 개구측 영역
5A~5D: 롤러베어링 6: 롤러베어링의 침상롤러
8: 롤러베어링의 외륜컵
본 발명은 십자축(일명 "스파이더-spider"라고도 함) 및 십자축 연결부에 관한 것이다.
일반적으로 차량등의 토오크전달경로에 있어서 예를들어 비동축모양으로 설치되거나 또는 비동축모양으로 기울어 질 수 있도록 설치되는 2개의 회전축을 연결할 경우 십자축 연결부가 이용된다.
이 십자축 연결부에서는 토오크전달시에 십자축의 트러니온(trunnion : "이축-耳軸"이라고도 함) 선단측 롤러의 접촉면압이 커지기 쉬워 하중이 커지는 곳이 파손되는 경우가 있다. 롤러의 파손을 고려하여 십자축의 트러니온 외주면과 롤러베어링의 외륜컵 사이에 위치하는 환상공간에 롤러를 축심방향으로 인접하게 여러 열 배치한 구성으로 각 열의 롤러 직경을 트러니온의 선단측에서 근원측으로 배치하는 순으로 크게 하고 있다. 이에 따라 토오크 전달시에 각 열의 롤러에 작용하는 접촉면 압력을 거의 균등하게 하고 있다(예를들면 일본국 특개 11-51073호공보)
상기 종래예에서는 토오크 전달시의 하중이 커지면 커질수록 각 열의 롤러의 직경차를 크게할 필요가 있지만 그 경우 직경을 작게하는 열의 롤러군의 지름방향 간격이 커지기 때문에 이 롤러군이 쉽게 빗나가게 된다.
또 십자축의 트러니온 단면에 대략 원추대 모양의 요부를 배치하여 트러니온의 구부림 강성을 내리도록 하고 있다. 이 경우 토오크 전달시에 트러니온이 휘는 것으로 트러니온 근원부로의 구부림 응력의 기울어짐이 경감되도록 한 것이 있다(예를들면 일본국 실개소 61-141819호 공보)
그러나 요부를 크게 하면 토오크 전달시의 하중에 대한 트러니온의 강도가 부족할 염려가 있다. 여기에 개량의 여지가 있다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해소하기 위한 것을 목적으로 하며, 구체적으로는 내구성과 신뢰성을 더욱 개선한 십자축 및 십자축 연결부를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 실현하기 위해 본 발명의 구성특징은 다음과 같다.
(1)트러니온과;
상기 트러니온에 그 축방향으로 외장되는 롤러 베어링과;
트러니온의 선단면에 배치되는 요부를;
구비하고,
상기 요부의 바닥측 영역이 구면형상으로 형성되어 있고, 상기 요부에서 바닥측영역을 제외한 개구측 영역의 내경치수가 상기 요부의 개구단 테두리를 향함에 따라 점차 크게 설정되고, 이 요부의 개구단테두리에서 상기 바닥측영역의 가장깊은 부분 까지의 깊이가 상기 여러 열의 롤러의 축심방향 총 길이의 30~70%로 설정되는 것을 특징으로 하는 십자축.
(2) 제 (1)에 있어서,
각 트러니온의 외주면에 그 근원측으로부터 선단측을 향해 순차로 지름이 축소된 여러 개의 롤러 전동면이 배치되는 것을 특징으로 하는 십자축.
(3) 제(1)에 있어서,
상기 요부의 개구단 테두리의 내경치수는 각 트러니온의 선단에서의 외경치수의 50~80%로 설정하고, 상기 구면형상의 바닥측 영역의 중심각이 120~160도로 설정되며, 상기 구면형상의 바닥측 영역의 곡율반경이 상기 요부의 개구단테두리의 내경치수의 50%미만으로 설정되는 것을 특징으로 하는 십자축.
(4) 제(1)에 있어서,
상기 십자축은 침탄강으로 이루어지고 상기 롤러전동면에 롤러 바니싱 가공(roller vanishing process)이 실시되는 것을 특징으로 하는 십자축.
(5) 제(1)에 따른 십자축과, 십자축의 4개의 트러니온에 각각 장착되는 4개의 롤러베어링을 갖는 것을 특징으로 하는 십자축 연결부.
(6) 제 (5)에 있어서,
상기 롤러의 외주면의 양단부에 곡면의 클라우닝이 실시되는 것을 특징으로 하는 십자축연결부.
본 발명의 십자축은 이와 같이 여러열의 롤러베어링이 외장되는 트러니온을 4개 갖는 것으로 상기 트러니온의 단면에 요부가 배치되고 있어 상기 요부의 바닥측 영역이 구면형상으로 형성되고 있으며 이 요부에 있어서 구면형상의 바닥측영역을 제외한 개구측 영역의 내경치수가 상기 요부의 개구단테두리를 향함에 따라 점 차 크게 설정되고, 이 요부의 개구단테두리에서 가장깊은 부까지의 깊이가 상기 여러열의 롤러의 축심방향 총 길이의 30~70%로 설정되고 있다.
또한 상기 요부의 바닥측 영역이라 함은, 요부에 있어서 십자축의 중심측에 위치하는 영역을 가리킨다. 또 상기 요부의 개구측 영역이라 함은 십자축의 트리니온 선단측의 영역을 가리킨다.
상기 구성에서는 십자축의 각 트러니온의 선단측에 요부를 배치함으로써 각 트러니온의 선단측에 존재하는 원통부분의 두께가 선단을 향해 점차 얇아지고 있다. 이에 따라 토오크전달시에 있어서 각 트러니온이 그 근원측에서 전체적으로 휠 수 있다. 이와같은 휨에 따라 토오크전달시에 있어서 트러니온의 외주면에 대해 롤러가 거의 균등하게 접촉하게 되고 롤러의 엣지로의 접촉면압 집중이 억제된다. 따라서 십자축의 각 트러니온의 외주면에 있어서 롤러베어링의 롤러의 궤도면이 되는 영역의 박리수명이나 구부림 피로강도를 향상시킬 수 있게 된다. 또 트러니온 근원부에 작용하는 구부림모멘트도 적어지고 구부림응력도 작아진다.
또한 상기 구성에 있어서 상기 각 트러니온의 외주면에 그 근원측으로부터 선단측을 향해 순차로 지름이 축소된 여러개의 롤러전동면을 배치할 수 있다. 이 경우 토오크전달시에 있어서 각 열의 롤러에 대해 작용하는 하중분포를 균등하게 할 수 있어 유리해짐과 동시에 롤러의 빗나감을 방지할 수 있어서 유리하다.
또 상기 구성에 있어서 상기 요부의 개구단테두리의 내경치수를 각 트러니온의 선단에서의 외경치수의 50~80%로 설정하고, 상기 구면형상의 바닥측 영역의 중심각을 120~160도로 설정하며 또한 상기 구면형상의 바닥측 영역의 곡율반경을 상 기 요부의 개구단테두리의 내경치수의 50%미만으로 설정할 수 있다. 이와같이 요부의 치수관계를 특정하면 트러니온의 강도와 강성의 관계를 적정하게 할 수 있게 된다.
또 상기 구성에 있어서 상기 십자축을 침탄강으로 하고, 상기 롤러전동면에 롤러바니싱가공을 실시할 수 있다. 이 경우 롤러바니싱가공에 의해 롤러전동면에 잔류압축응력이 발생함과 동시에 그 표면거칠어짐이 향상되는 점과 더불어 롤러접동면의 피로강도를 높일 수 있다.
본 발명의 십자축 연결부는 상기 구성의 십자축과, 십자축의 4개의 트러니온에 각각 장착되는 4개의 롤러베어링을 갖는다. 이 경우 상술한 특징을 갖는 십자축을 구비하는 구성이기 때문에 십자축 연결부의 내구성, 신뢰성이 향상하게 된다.
상기 십자축 연결부에 있어서 상기 롤러의 외주면의 양단부에 곡면의 클라우닝을 실시한 것으로 할 수 있다. 이 경우 롤러의 축방향 양단부에서의 엣지로의 접촉면압의 집중을 또한 억제하고 롤러의 전동면이 되는 영역의 박리수명이나 구부림피로강도를 향상시킬 수 있다.
도 1에서 도 3에 본 발명의 일 실시예를 도시하고 있다. 도면 중 부호 1은 십자축 연결부이다. 이 십자축 연결부(1)는 동축모양으로 대향배치되는 제 1회전축(2)과 제 2회전축(3)을 토오크전달가능하게 또한 경동가능하도록 연결한 것이다.
십자축 연결부(1)는 십자축(4)과, 4개의 롤러베어링(5A~5D)을 구비하는 주지의 구성이다. 십자축(4)은 4개의 트러니온(41~44)을 갖고 있다.
4개의 롤러베어링(5A~5D)은 모두 완전 같은 구성의 침상롤러베어링이라고 하 는 것이 이용되고 있으며 여러개의 침상롤러(6)와, 쓰러스트부시(7)와, 외륜컵(8)을 구비하고 있다. 또한 도시하지 않지만 롤러베어링(5A~5D)의 외륜컵(8)과 십자축(4)의 트러니온(41~44)사이에 밀봉장치를 부설함으로써 롤러베어링(5A~5D)의 내부에 그리스 등의 윤활제가 봉입되도록 되어있다.
상기 십자축(4)에 있어서 180도 대향하는 2개의 트러니온(41)(43)은 제 1회전축(2)의 한쪽축단에 대해 롤러베어링(5A)(5B)를 통해 부착된다. 또 십자축(4)의 남은 180도 대향하는 2개의 트러니온(42)(44)은 제 2회전축(3)의 한쪽축단에 대해 롤러베어링(5C)(5D)을 통해 부착된다.
또한 상기 각 롤러베어링(5A~5D)의 외륜컵(8)은 볼트(9)등을 통해 양 회전축(2)(3)에 대해 부착된다. 이 외륜컵(8)의 부착은 특별히 한정되지 않고 일반적으로 주지의 방법에 의해 행하는 것 전부가 본 발명에 포함된다. 또 이 외륜컵(8)에는 그 내부에 그리스를 주입하기 위한 그리스닙플(10)이 부착되고 있다.
이 실시예에서는 상기 십자축(4)의 각 트러니온(41~44)의 형상을 강구하고 있기 때문에 다음에서 설명한다.
우선 롤러베어링(5A~5D)의 롤러(6)는 축심방향에 인접하도록 3열로 배치되고 있다. 십자축(4)의 각 트러니온(41~44)의 외주면에는 그 근원측으로부터 선단측을 향해 외경(D1)(D2)(D3)과 3단계로 순차로 작게 설정된 대,중,소의 롤러전동면(45a)(45b)(45c)이 형성되고 있다. 이 각 트러니온(41~44)의 각 롤러전동면(45a~45c)이 3열로 배치된다. 이에 따라 롤러(6)의 지름방향 간극이 트러니온(41~44)의 근원측으로부터 선단측을 향해 순차로 커진다. 이 트러니온(41~44)의 각 롤러전동면(45a~45c) 상호의 외경차는 롤러(6)의 직경치수(d)의 0.001~0.005배로 설정된다. 도면에서는 트러니온(41~44)의 각 롤러전동면(45a~45c)의 외경차를 과장하여 나타내고 있다. 이와같이 하면 토오크전달시에 있어서 각 열의 롤러(6)에 대해 작용하는 접촉면압 분포를 균등하게 하여 유리하게 됨과 동시에 롤러(6)의 빗나감을 방지할 수 있어 유리하다.
이에 덧붙여 각 트러니온(41~44)에 펀치볼 모양의 요부(46)를 배치하고 있다. 이 요부(46)은 각 트러니온(41~44)의 중심부분에 이 각 트러니온(41~44)의 단면을 향해 개방되고 있다.
이 요부(46)의 바닥측 영역(46a)은 구면형상으로 형성된다. 이 요부(46)에 있어서 구면형상의 바닥측 영역(46a)을 제외한 개구측 영역(46b)의 내경치수는 요부(46)의 개구단테두리를 향함에 따라 점차 크게 설정된다. 이 요부(46)을 배치함으로써 십자축(4)의 각 트러니온(41~44)의 선단측에 존재하는 원통부분의 두께가 선단을 향해 점차 얇아지고 있다.
여기서 요부(46)에 대해서는 다음 ①~⑤의 조건을 만족하도록 설정된다.
①상기 요부(46)의 개구측 단테두리로부터 가장깊은부까지의 깊이 L1은 축심방향 3열로 배치하는 롤러(6)의 축심방향 총길이 L0의 30~70%, 바람직하게는 50~60%로 설정된다.
②상기 요부(46)의 개구단테두리의 내경치수 D0은 각 트러니온(41~44)의 선단에서의 외경치수 D3의 50~80%, 바람직하게는 60~70%로 설정된다.
③상기 요부(46)에서의 구면형상의 바닥측 영역(46a)의 중심각(α)은 120~160도, 바람직하게는 130~150도로 설정된다.
④상기 요부(46)에 있어서 구면형상의 바닥측 영역(46a)의 곡율반경(r)은 상기 요부(46)에서의 개구단테두리의 내경치수 D0의 50%미만으로 설정된다.
⑤상기 요부(46)의 개구측영역(46b)은 테이퍼형상이 된다. 이 테이퍼형상의 개구측 영역(46b)의 각도(β)는 10~30도, 바람직하게는 15~25도로 설정된다.
그러나 상기 ⑤에 관해서는 요부(46)의 개구측 영역(46b)의 형상을 그 내경치수가 요부(46)의 개구단테두리를 향함에 따라 점차 커지는 곡면형상으로 할 수 있다.
상기 ①~⑤의 조건을 만족하는 요부(46)을 배치하면 십자축(4)의 각 트러니온(41~44)의 충분한 강도를 확보할 수 있고 각 트러니온(41~44)에서의 강성을 낮출 수 있다.
또한 도 3에서는 상기 요부(46)의 바닥측 영역(46a)의 곡율중심(O)을 트러니온(41~44)의 선단보다도 근원측으로 소정량 L2만큼 들어간 위치로 설정하고 있지만 도 4와 같이 트러니온(41~44)의 선단과 일치하는 위치에 설정하거나 또는 도 5와 같이 트러니온(41~44)의 선단보다도 소정량(L2)만큼 튀어나온 위치에 설정하거나 한다.
상세하게는 상기 구성의 십자축(4)에서는 토오크전달시에 있어서 각 트러니온(41~44)의 근원측의 곡면부분에 대해 최대구부림응력이 작용하게 되므로 각 트러니온(41~44)은 그 근원측에서 전체적으로 휠 수 있다. 이와 같이 휨으로써 토오크전달시에 있어서 트러니온(41~44)의 각 롤러전동면(45a~45c)에 대해 각 열의 롤러(6)가 거의 균등하게 접촉되게 되어 롤러의 엣지에 대한 접촉면압집중이 억제된다. 따라서 십자축(4)의 트러니온(41~44)에서의 각 롤러전동면(45a~45c)의 박리수명이나 구부림피로강도를 향상시킬 수 있게 된다.
참고로 트러니온(41~44)의 요부(46)의 형상에 대해 그 개구측 영역(46b)을 테이퍼형상으로 하지 않고 바닥측 영역(46a)에서 개구측 영역(46b)까지의 전체를 구면형상으로 형성한 경우 최대구부림응력이 트러니온(41~44)의 근원측이 아닌 요부(46)를 배치한 전동면에 작용하므로 트러니온(41~44)의 강도부족이 된다.
이상 요컨데 롤러베어링(5A~5D)에 구비하는 3열의 롤러(6)의 궤도면이 되는 십자축(4)의 트러니온(41~44)의 외주면을 선단을 향해 3단계로 지름을 축소하는 형상으로 함으로써 토오크전달시에 있어서 각 열의 롤러(6)에 대해 작용하는 접촉면압 분포를 될 수 있으면 균등화시키도록 함과 동시에 롤러(6)의 빗나감을 방지시키도록 하고 있다. 그에 덧붙여 십자축(4)의 트러니온(41~44)에 상기 특수한 요부(46)을 배치함으로써 토오크전달시에 있어서 트러니온(41~44)을 그 근원으로부터 전체적으로 휘게 할 수 있다. 이들의 상승작용으로 각 열의 롤러(6)에 대한 접촉면압분포를 거의 균등하게 할 수 있게 되어 십자축연결부의 내구성 및 신뢰성향상에 공헌할 수 있다.
그러나 상기 십자축(4)을 침탄강으로 하고 십자축(4)의 롤러전동면이 되는 트러니온(41~44)의 외주면에 롤러바니싱가공을 실시할 수 있다. 이 경우 롤러바니싱가공에 의해 롤러전동면에 잔류압축응력이 발생함과 동시에 그 표면거칠어짐이 향상하는 점과 더불어 롤러전동면의 피로강도를 높일 수 있다.
또 상기 롤러(6)의 외주면의 양단부에 곡면의 클라우닝을 실시한 것으로 할 수 있다. 이 경우 롤러(6)의 축방향 양단부에서의 엣지로의 접촉면압의 집중을 더욱 억제하여 롤러(6)의 전동면이 되는 영역의 박리수명이나 구부림피로강도를 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니고 여러가지 응용이나 변형을 생각할 수 있다.
(1) 도 6과 같이 십자축(4)의 중심에서 각 트러니온(41~44)의 요부(46)의 가장깊은 부에 이르는 영역에 그리스를 롤러베어링(5A~5D)에 공급함과 동시에 그리스를 저류하기 위한 통로(47…)를 배치할 수 있다. 이 각 통로(47)의 일단은 따로 각 트러니온(41~44)의 각 요부(46)의 바닥 중앙에서 개방되고 있으며 또한 각 통로(47)의 타단은 십자축(4)의 중심부분에서 하나가 되어 이 십자축(4)의 중심부분의 옆쪽으로 개방되고 있다. 이 통로(47)에 있어서 십자축(4)의 중심부분의 개구에는 그리스를 주입하기 위한 그리스닙플(10)이 장착되고 있다. 도 6에서는 도 2에 있어서 외륜컵(8)에 부착되고 있던 그리스닙플을 없애고 있다. 그리고 상기 그리스닙플(10)로부터 그리스건(grease gun) 등에 의해 그리스를 주입함으로써 각 통로(47)내에 그리스가 저류됨과 동시에 각 롤러베어링(5A~5D)에 공급되게 된다. 특히 각 트러니온(41~44)의 선단측에 배치하고 있는 요부(46)도 그리스가 모이게 되므로 그리스저류량을 많게 할 수 있다.
(2) 상기 실시예에 있어서 롤러베어링(5A~5D)의 롤러(6)의 열수는 2열이상이면 된다. 예를들어 롤러(6)를 2열배치로 하는 경우 십자축(4)의 트러니온(41~44) 의 외주면에는 대소 2개의 롤러전동면을 배치하게 되지만 요부(46)의 치수관계에 대해서는 상기 실시예와 기본적으로 같다.
(3)도 7과 같이 트러니온(41~44)에 있어서 그 축심방향 중앙의 롤러전동면(45b)의 외경D2 을 근원측의 롤러전동면(45a)의 외경D1 과 같게 함으로써 트러니온(41~44)의 외경을 대소 2단으로 하고, 트러니온(41~44)의 근원측에 배치하는 롤러(6)의 외경 d1보다 축심방향중앙의 롤러(6)와 선단측의 롤러(5)의 외경 d2을 작게할 수 있다. 축심방향중앙의 롤러(6)의 외경 d2와 선단측의 롤러(6)의 외경 d2는 같게 설정되고 있다.
본 발명의 십자축에서는 토오크 전달시에 있어서 각 트러니온이 그 근원측으로부터서 전체적으로 휨으로써 각 트러니온의 외주면에 있어서 롤러 베어링의 롤러의 궤도면이 되는 영역의 박리수명이나 구부림 피로강도를 향상시키도록 하고 있다. 이에 따라 십자축의 내구성, 신뢰성의 향상에 공헌할 수 있다.
또 본 발명의 십자축 연결부는 상기 십자축을 구비하는 구성이기 때문에 십자축 연결부로서의 내구성, 신뢰성의 향상에 공헌할 수 있다.

Claims (6)

  1. 트러니온과;
    상기 트러니온에 그 축방향으로 외장되는 롤러 베어링과;
    트러니온의 선단면에 배치되는 요부를;
    구비하고,
    상기 요부의 바닥측 영역이 구면형상으로 형성되어 있고, 상기 요부에서 바닥측영역을 제외한 개구측 영역의 내경치수가 상기 요부의 개구단 테두리를 향함에 따라 점차 크게 설정되고, 이 요부의 개구단테두리에서 상기 바닥측영역의 가장깊은 부분 까지의 깊이가 상기 여러 열의 롤러의 축심방향 총 길이의 30~70%로 설정되는 것을 특징으로 하는 십자축.
  2. 제 1항에 있어서,
    각 트러니온의 외주면에 그 근원측으로부터 선단측을 향해 순차로 지름이 축소된 여러 개의 롤러 전동면이 배치되는 것을 특징으로 하는 십자축.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 요부의 개구단 테두리의 내경치수는 각 트러니온의 선단에서의 외경치 수의 50~80%로 설정하고, 상기 구면형상의 바닥측 영역의 중심각이 120~160도로 설정되며, 상기 구면형상의 바닥측 영역의 곡율반경이 상기 요부의 개구단테두리의 내경치수의 50%미만으로 설정되는 것을 특징으로 하는 십자축.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 십자축은 침탄강으로 이루어지고 상기 롤러전동면에 롤러 바니싱 가공(roller vanishing process)이 실시되는 것을 특징으로 하는 십자축.
  5. 제 1항에 따른 십자축과, 십자축의 4개의 트러니온에 각각 장착되는 4개의 롤러베어링을 갖는 것을 특징으로 하는 십자축 연결부.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 롤러의 외주면의 양단부에 곡면의 클라우닝이 실시되는 것을 특징으로 하는 십자축연결부.
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