JP4041641B2

JP4041641B2 - 固定型等速自在継手

Info

Publication number: JP4041641B2
Application number: JP2000119875A
Authority: JP
Inventors: 宏登根
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2020-04-20
Also published as: JP2001153149A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固定型等速自在継手に関し、詳しくは、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固定型の等速自在継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の衝突安全性向上の観点からホイールベースを長くすることがあるが、それに伴って車両回転半径が大きくならないようにするため、固定型等速自在継手の高角化による前輪の操舵角の増大が求められている。この高角化のニーズには、外側継手部材の開口側でのトラック溝形状を軸方向と平行にしたＵＦ（アンダーカットフリー）タイプの固定型等速自在継手で対応しているのが現状である。
【０００３】
このＵＦタイプの固定型等速自在継手は、図７及び図８に示すように内球面１に複数のトラック溝２を円周方向等間隔に軸方向に沿って開口端３に向けて形成したマウス部４を有する外側継手部材５と、外球面６に外側継手部材５のトラック溝２と対をなす複数のトラック溝７を円周方向等間隔に軸方向に沿って形成した内側継手部材８と、外側継手部材５と内側継手部材８の両トラック溝２，７間に介在してトルクを伝達する複数のボール９と、外側継手部材５の内球面１と内側継手部材８の外球面６との間に介在して各ボール９を保持するケージ１０とを備えている。複数のボール９は、ケージ１０に形成されたポケット１３に収容されて円周方向等間隔に配置されている。
【０００４】
ここで、図７は作動角θが０°の状態、図８は作動角θが最大角（５０°）の状態を示している。図示しないが、外側継手部材５又は内側継手部材８のいずれか一方が駆動側回転軸を有し、他方が従動側回転軸を有する。作動角θとは、外側継手部材５の回転軸Ｘと内側継手部材８の回転軸Ｙとがなす角度を意味する。また、外側継手部材５の回転軸Ｘと内側継手部材８の回転軸Ｙが０°以外のある作動角θをとったとき、両回転軸Ｘ，Ｙのなす角度θの二等分線に垂直な平面をジョイント平面Ｐと称する。作動角θをとったとき、すべてのボール９がジョイント平面Ｐ上にあれば、ボール中心から両回転軸Ｘ，Ｙまでの距離が相等しく、従って、両回転軸Ｘ，Ｙ間で等速度で回転運動の伝達が行われる。ジョイント平面Ｐと回転軸Ｘ，Ｙとの交点をジョイント中心Ｏと称する。固定型等速自在継手では、作動角θに関わりなくジョイント中心Ｏは固定されている。
【０００５】
ＵＦタイプの固定型等速自在継手では、外側継手部材５及び内側継手部材８の両トラック溝２，７はいずれも、アンダーカットがなく、大きな作動角を取り得る構造を有する。図９は外側継手部材５及び内側継手部材８のそれぞれのトラック溝２，７の形状及びケージオフセット量を説明するため、図７の拡大断面（ハッチングは省略）を示す。
【０００６】
外側継手部材５の各トラック溝２は、外側継手部材５の内球面１から所定の深さで形成されているが、その深さは軸方向に徐々に変化している。このトラック溝２は、マウス部４の奥側で、外側継手部材５の回転軸Ｘ上に曲率中心Ｏ₁を持つ円弧底２ａと、その曲率中心Ｏ₁から径方向に延びる線分がトラック溝２の底部と交わる部位ｍを境として、マウス部４の開口側で、回転軸Ｘと平行なストレート底２ｂとを有する。内側継手部材８の各トラック溝７は、内側継手部材８の外球面６から所定の深さで形成されているが、その深さは軸方向に徐々に変化している。このトラック溝７は、マウス部４の開口側で、内側継手部材８の回転軸Ｙ上に曲率中心Ｏ₂を持つ円弧底７ａと、その曲率中心Ｏ₂から径方向に延びる線分がトラック溝７の底部と交わる部位ｎを境として、マウス部４の奥側で、回転軸Ｙと平行なストレート底７ｂとを有する。
【０００７】
内側継手部材８の外球面６の曲率中心と、外側継手部材５の内球面１の曲率中心はそれぞれケージ１０の内外球面１１，１２の曲率中心Ｏ₃’，Ｏ₄’と一致している。ケージ１０の内外球面１１，１２の曲率中心Ｏ₃’，Ｏ₄’はジョイント中心Ｏから等距離ｆ’だけ軸方向に逆向きにオフセットしている。同様に、外側継手部材５のトラック溝２の曲率中心Ｏ₁と、内側継手部材８のトラック溝７の曲率中心Ｏ₂とは、ジョイント中心Ｏから等距離ｆ’だけ軸方向に逆向きにオフセットしている。そのため、一対のトラック溝２，７により、軸方向の一方から他方へ向かって間隔が徐々に変化した楔状のトラックが形成される。各ボール９は一対のトラック溝２，７間に転動可能に組み込まれており、外側継手部材５と内側継手部材８が作動角θをとった状態でトルクを伝達するとき、楔状のトラックの間隔の広い方へ移動させようとする軸力の作用を受ける。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
近年、自動車（特に軽自動車、小型車）の最小回転半径縮小や、自動車足回りのジオメトリ設計の自由化から更なる高角化のニーズがあるが、従来のＵＦタイプの固定型等速自在継手では、作動角θmax＝５０°が限界であり、さらに高角化を実現するには、外側継手部材５のマウス部４の外径を大きくすることが必要である。そのため、軽量コンパクト化に逆らう設計にならざるを得ないというのが現状であった。
【０００９】
そこで、本発明は前記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、外側継手部材の外径を大きくすることなく、作動角の高角化を容易に実現し得る固定型等速自在継手を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための技術的手段として、本発明は、内球面に複数のトラック溝を円周方向等間隔に軸方向に沿って開口端に向けて形成した外側継手部材と、外球面に外側継手部材のトラック溝と対をなす複数のトラック溝を円周方向等間隔に軸方向に沿って形成した内側継手部材と、外側継手部材と内側継手部材の両トラック溝間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、外側継手部材の内球面と内側継手部材の外球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固定型等速自在継手において、外側継手部材のトラック溝は、その外側継手部材の奥側で外側継手部材の回転軸上に曲率中心を持つ円弧底と、外側継手部材の開口側でその開口端に向けて直線的に拡径するテーパ底とを有し、外側継手部材のトラック溝の曲率中心とボールの中心とを結ぶ直線に対して、外側継手部材のトラック溝のテーパ底が作動角が０°の状態で直角となるようにしたことを特徴とする。なお、内側継手部材のトラック溝は、その外側継手部材の開口側で内側継手部材の回転軸上に曲率中心を持つ円弧底と、外側継手部材の奥側でその奥側に向けて直線的に拡径するテーパ底とを有し、内側継手部材のトラック溝の曲率中心とボールの中心とを結ぶ直線に対して、内側継手部材のトラック溝のテーパ底が作動角が０°の状態で直角となるようにする。
【００１１】
その結果、本発明では、前記外側継手部材の回転軸と内側継手部材の回転軸のなす作動角を最大５２°とすることが可能となる。
【００１３】
ここで、本発明の固定型等速自在継手では、前記ケージの外球面中心と内球面中心とが、ボール中心を含む継手中心面に対して軸方向に等距離だけ反対側にオフセットされ、そのケージオフセット量（ｆ）を大きく設定することにより、内側継手部材が組み入れられるケージの入口側の肉厚を増大させて強度向上を図ることができるという利点がある。また、ケージの入口側の肉厚を増大させることができることから、作動角をとった時、外側継手部材の開口端からボールが飛び出すことをケージのポケットで拘束することができる。
【００１４】
ただし、ケージオフセット量（ｆ）が大きすぎると、▲１▼ケージのポケット内におけるボールの周方向移動量が大きくなり、ボールの適正な運動を確保するため、ケージのポケットの周方向寸法を大きくする必要が生じるので、ケージの柱部が細くなり、強度面が問題となる。▲２▼ケージの入口側と反対側に位置する奥側の肉厚が小さくなり、強度面が問題となる。
【００１５】
以上より、ケージオフセット量（ｆ）が過大であるのは好ましくなく、ケージオフセット量（ｆ）を設ける意義と前記▲１▼▲２▼の問題との均衡を図り得る最適範囲が存在する。ただ、ケージオフセット量（ｆ）の最適範囲は継手の大きさによって変わるので、継手の大きさを表わす基本寸法との関係において求める必要がある。そのため、ケージオフセット量（ｆ）と、外側継手部材のトラック溝の曲率中心又は内側継手部材のトラック溝の曲率中心とボールの中心とを結ぶ線分の長さ（ＰＣＲ）との比（ｆ／ＰＣＲ）を用いる。
【００１６】
そこで、本発明におけるケージオフセット量は、前記ケージオフセット量（ｆ）と、外側継手部材のトラック溝の曲率中心又は内側継手部材のトラック溝の曲率中心とボールの中心とを作動角が０°の状態で結ぶ線分の長さ（ＰＣＲ）との比（ｆ／ＰＣＲ）が０．０１７〜０．１３３の範囲内となるように設定する。
【００１７】
この比（ｆ／ＰＣＲ）が０．１３３より大きいと前記▲１▼▲２▼の問題があり、逆に、０．０１７より小さいとケージオフセット量（ｆ）を設ける意義がなくなる。従って、ケージ強度の確保、耐久性の確保の点から、比（ｆ／ＰＣＲ）が０．０１７〜０．１３３の範囲内であることが、ケージオフセット量（ｆ）の最適範囲である。
【００１９】
また、本発明では、前記ボールを８個とすることが、ボール１個にかかる負荷の低減や効率アップを図ることができ、強度、負荷トルク、耐久性に優れており、ボール径も小さくすることができて継手全体を小型化できる点で有効である。
【００２０】
さらに、本発明では、前記ケージのポケットの奥側でボールを拘束しないようにポケット隙間を形成することが望ましい。このようにすれば、ケージオフセット量を大きくしたことに伴ってケージの奥側の肉厚が小さくなっても、ケージの強度を確保することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る固定型等速自在継手の実施形態を以下に詳述する。
【００２２】
図１乃至図３に示す実施形態の固定型等速自在継手は、内球面２１に複数のトラック溝２２を円周方向等間隔に軸方向に沿って開口端２３に向けて形成したマウス部２４を有する外側継手部材２５と、外球面２６に外側継手部材２５のトラック溝２２と対をなす複数のトラック溝２７を円周方向等間隔に軸方向に沿って形成した内側継手部材２８と、外側継手部材２５と内側継手部材２８の両トラック溝２２，２７間に介在してトルクを伝達する複数のボール２９と、外側継手部材２５の内球面２１と内側継手部材２８の外球面２６との間に介在して各ボール２９を保持するケージ３０とを備えている。複数のボール２９は、ケージ３０に形成されたポケット３３に収容されて円周方向等間隔に配置されている。
【００２３】
ここで、図１は作動角θが０°の状態、図３は作動角θが最大角（５２°）の状態を示している。図示しないが、外側継手部材２５又は内側継手部材２８のいずれか一方が駆動側回転軸を有し、他方が従動側回転軸を有する。作動角θとは、外側継手部材２５の回転軸Ｘと内側継手部材２８の回転軸Ｙとがなす角度を意味する。また、外側継手部材２５の回転軸Ｘと内側継手部材２８の回転軸Ｙが０°以外のある作動角θをとったとき、両回転軸Ｘ，Ｙのなす角度θの二等分線に垂直な平面をジョイント平面Ｐと称する。作動角θをとったとき、すべてのボール２９がジョイント平面Ｐ上にあれば、ボール中心から両回転軸Ｘ，Ｙまでの距離が相等しく、従って、両回転軸Ｘ，Ｙ間で等速度で回転運動の伝達が行われる。ジョイント平面Ｐと回転軸Ｘ，Ｙとの交点をジョイント中心Ｏと称する。固定型等速自在継手では、作動角θに関わりなくジョイント中心Ｏは固定されている。
【００２４】
この実施形態の固定型等速自在継手では、外側継手部材２５及び内側継手部材２８の両トラック溝２２，２７はいずれも、アンダーカットがなく、大きな作動角を取り得る構造を有する。図４は外側継手部材２５及び内側継手部材２８のそれぞれのトラック溝２２，２７の形状及びケージオフセット量を説明するため、図１の拡大断面（ハッチングは省略）を示す。
【００２５】
外側継手部材２５の各トラック溝２２は、外側継手部材２５の内球面２１から所定の深さで形成されているが、その深さは軸方向に徐々に変化している。このトラック溝２２は、マウス部２４の奥側で、外側継手部材２５の回転軸Ｘ上に曲率中心Ｏ₁を持つ円弧底２２ａと、その曲率中心Ｏ₁とボール２９の中心Ｏ₅とを結ぶ線分がトラック溝２２の底部と交わる部位ｐを境として、マウス部２４の開口側で、その開口端２３に向けて直線的に拡径するテーパ底２２ｂとを有する。このテーパ底２２ｂは、外側継手部材２５のトラック溝２２の曲率中心Ｏ₁とボール２９の中心Ｏ₅とを結ぶ直線に対して直角となるような角度で形成されている。
【００２６】
内側継手部材２８の各トラック溝２７は、内側継手部材２８の外球面２６から所定の深さで形成されているが、その深さは軸方向に徐々に変化している。このトラック溝２７は、マウス部２４の開口側で、内側継手部材２８の回転軸Ｙ上に曲率中心Ｏ₂を持つ円弧底２７ａと、その曲率中心Ｏ₂とボール２９の中心Ｏ₅とを結ぶ線分がトラック溝２７の底部と交わる部位ｑを境として、マウス部２４の奥側で、その奥端に向けて直線的に拡径するテーパ底２７ｂとを有する。このテーパ底２７ｂは、内側継手部材２８のトラック溝２７の曲率中心Ｏ₂とボール２９の中心Ｏ₅とを結ぶ直線に対して直角となるような角度で形成されている。
【００２７】
このように外側継手部材２５のマウス部２４のトラック溝２２の開口側溝底を、その開口端２３に向けて直線的に拡径したテーパ底２２ｂ（例えば拡径角φ＝２０°）としたことから、外側継手部材２５のマウス部２４の外径を大きくすることなく、作動角θmax＝５２°（従来の作動角θmax＋２°）という高角化を実現した。
【００３１】
内側継手部材２８の外球面２６の曲率中心と、外側継手部材２５の内球面２１の曲率中心はそれぞれケージ３０の内外球面３１，３２の曲率中心Ｏ₃，Ｏ₄と一致している。ケージ３０の内外球面３１，３２の曲率中心Ｏ₃，Ｏ₄はジョイント中心Ｏから等距離ｆだけ軸方向に逆向きにオフセットしている。同様に、外側継手部材２５のトラック溝２２の曲率中心Ｏ₁と、内側継手部材２８のトラック溝２７の曲率中心Ｏ₂とは、ジョイント中心Ｏから等距離ｆだけ軸方向に逆向きにオフセットしている。そのため、一対のトラック溝２２，２７により、軸方向の一方から他方へ向かって間隔が徐々に変化した楔状のトラックが形成される。各ボール２９は一対のトラック溝２２，２７間に転動可能に組み込まれており、外側継手部材２５と内側継手部材２８が作動角θをとった状態でトルクを伝達するとき、楔状のトラックの間隔の広い方へ移動させようとする軸力の作用を受ける。
【００３２】
この実施形態では、作動角θmax＝５２°をとったとき、外側継手部材２５のマウス部２４の開口端２３からボール２９が飛び出すことを防止するため、ケージ３０のポケット３３で拘束できるようにケージオフセット量ｆを従来のものよりも大きく設定する。すなわち、ケージオフセット量をｆ、ボール２９の中心軌跡半径値、すなわち、外側継手部材２５のトラック溝２２の曲率中心Ｏ₁又は内側継手部材２８のトラック溝２７の曲率中心Ｏ₂とボール２９の中心Ｏ₅とを結ぶ線分の長さをＰＣＲとした場合、ｆ／ＰＣＲ＝０．０１７〜０．１３３とする。
【００３３】
例えば、従来品（図９参照）でのケージオフセット量ｆ’が０．４２ｍｍ、ボール９の中心軌跡半径値ＰＣＲ’が２５ｍｍであることから、ケージオフセット量ｆ’とボール９の中心軌跡半径値ＰＣＲ’との比（ｆ’／ＰＣＲ’）が０．０１７であった。これに対して、本発明の実施形態（図４参照）におけるケージオフセット量ｆの最大値を３．２ｍｍ、ボール２９の中心軌跡半径値ＰＣＲを２４ｍｍとすると、ケージオフセット量ｆとボール２９の中心軌跡半径値ＰＣＲとの比（ｆ／ＰＣＲ）が０．１３３となる。
【００３４】
従来、ケージオフセット量ｆを大きくすることは、ケージ３０の奥側でボール２９がケージ３０のポケット３３から飛び出すことや、ケージ３０の奥側の肉厚が薄くなること等の懸念から避けられてきた。図５は、作動角０°の時のジョイント強度に対する最大作動角時のジョイント強度（捩り強度）を示すが、従来品と同様、本発明品のものであっても、目標レベルに達しているので、強度面においても問題はない。また、図３に示すようにボール２９が一番飛び出そうとする位相（位相角０°）では、従来品〔図６（ｂ）〕についてケージポケットに作用する力では入口側向きの力がある程度発生していたのに対して、本発明品〔図６（ａ）〕についてはほとんど発生しないでケージ３０への負荷が少なくなることが明らかとなり、さらに、ケージオフセット量ｆを大きくしていくと、ケージ３０に負荷されるこの荷重が小さくなっていくことが確認できた。
【００３５】
なお、この実施形態の固定型等速自在継手では、図２に示すようにケージ３０に保持されたボール２９を８個とすることが好ましい。この８個ボール形の等速自在継手は、ボール１個にかかる負荷の低減や効率アップを図ることができ、強度、負荷トルク、耐久性に優れており、ボール径も小さくすることができて継手全体を小型化できる点で有効である。
【００３６】
また、図３に示すようにケージ３０のポケット３３の奥側でボール２９を拘束しないようにポケット隙間ｔを形成することが望ましい。このようにすれば、ケージオフセット量ｆを大きくしたことに伴ってケージ３０の奥側の肉厚が小さくなっても、ケージ３０のポケット３３の奥側に接触することによりケージ３０の奥側に損傷を与えることを緩和し、ケージ３０の強度を確保することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、内球面に複数のトラック溝を円周方向等間隔に軸方向に沿って開口端に向けて形成した外側継手部材と、外球面に外側継手部材のトラック溝と対をなす複数のトラック溝を円周方向等間隔に軸方向に沿って形成した内側継手部材と、外側継手部材と内側継手部材の両トラック溝間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、外側継手部材の内球面と内側継手部材の外球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固定型等速自在継手において、外側継手部材のトラック溝は、その外側継手部材の奥側で外側継手部材の回転軸上に曲率中心を持つ円弧底と、外側継手部材の開口側でその開口端に向けて直線的に拡径するテーパ底とを有し、外側継手部材のトラック溝の曲率中心とボールの中心とを結ぶ直線に対して、外側継手部材のトラック溝のテーパ底が作動角が０°の状態で直角となるようにしたことにより、外側継手部材の外径を大きくすることなく、作動角の高角化を容易に実現することができ、外側継手部材のコンパクト化及び負荷容量アップ等が図れ、機能性および加工性のアップに対するニーズへの対応が迅速に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固定型等速自在継手の実施形態で作動角が０°の状態を示す断面図
【図２】図１において、ボールを８個とした場合のＡ−Ａ線に沿う断面図
【図３】本発明の実施形態で作動角が最大角５２°の状態を示す断面図
【図４】本発明において、外側継手部材のトラック溝形状及びケージオフセット量を説明するための断面図
【図５】作動角０°時のジョイント強度に対する最大作動角時のジョイント強度を示すグラフ
【図６】ボールの位相角とケージポケットに作用する力との関係を示すもので、（ａ）は本発明品の場合を示す特性図、（ｂ）は従来品の場合を示す特性図
【図７】従来の固定型等速自在継手で作動角が０°の状態を示す断面図
【図８】従来の固定型等速自在継手で作動角が最大角５０°の状態を示す断面図
【図９】従来において、外側継手部材のトラック溝形状及びケージオフセット量を説明するための断面図

Claims

内球面に複数のトラック溝を円周方向等間隔に軸方向に沿って開口端に向けて形成した外側継手部材と、外球面に前記外側継手部材のトラック溝と対をなす複数のトラック溝を円周方向等間隔に軸方向に沿って形成した内側継手部材と、前記外側継手部材と内側継手部材の両トラック溝間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、外側継手部材の内球面と内側継手部材の外球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ものにおいて、前記外側継手部材のトラック溝は、その外側継手部材の奥側で外側継手部材の回転軸上に曲率中心を持つ円弧底と、外側継手部材の開口側でその開口端に向けて直線的に拡径するテーパ底とを有し、前記外側継手部材のトラック溝の曲率中心とボールの中心とを結ぶ直線に対して、前記外側継手部材のトラック溝のテーパ底が作動角が０°の状態で直角となるようにしたことを特徴とする固定型等速自在継手。
前記ケージの外球面中心と内球面中心とが、ボール中心を含む継手中心面に対して軸方向に等距離だけ反対側にオフセットされ、そのケージオフセット量（ｆ）と、外側継手部材のトラック溝の曲率中心又は内側継手部材のトラック溝の曲率中心とボールの中心とを作動角が０°の状態で結ぶ線分の長さ（ＰＣＲ）との比（ｆ／ＰＣＲ）が０．０１７〜０．１３３の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の固定型等速自在継手。
前記ボールが８個であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固定型等速自在継手。
前記ケージのポケットの奥側でボールを拘束しないようにポケット隙間を形成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固定型等速自在継手。
前記外側継手部材の回転軸と内側継手部材の回転軸のなす作動角が最大５２°を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固定型等速自在継手。