JP5183930B2 - 固定式等速自在継手 - Google Patents

Description

本発明は、例えば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式等速自在継手に関する。

例えば、自動車のエンジンから車輪に回転力を等速で伝達する手段として使用される等速自在継手の一種に固定式等速自在継手がある。この固定式等速自在継手は、駆動側と従動側の二軸を連結してその二軸が作動角をとっても等速で回転トルクを伝達し得る構造を備えている。一般的に、前述した固定式等速自在継手としては、バーフィールド型（ＢＪ）やアンダーカットフリー型（ＵＪ）が広く知られている。

例えば、ＢＪタイプの固定式等速自在継手は、一端が開口し、内球面に複数のトラック溝が円周方向等間隔に軸方向に沿って形成された外側継手部材としての外輪と、外球面に外輪のトラック溝と対をなす複数のトラック溝が円周方向等間隔に軸方向に沿って形成された内側継手部材としての内輪と、外輪のトラック溝と内輪のトラック溝との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、外輪の内球面と内輪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ている。

複数のボールは、ケージに形成されたポケットに収容されて円周方向等間隔に配置されている。また、これら内輪、ボールおよびケージからなる内部部品は、外輪の内部に収容されている。内輪は、外球面が形成された複数の突状部をトラック溝間に有する形状となっている。

この種の等速自在継手を、例えば自動車のドライブシャフトに使用した場合、外輪を従動軸に連結し、内輪に車体側のディファレンシャルに取り付けられた摺動式等速自在継手から延びる駆動軸をスプライン嵌合で連結した構造が一般的である。この等速自在継手では、外輪と内輪との間に作動角が付与されると、ケージに収容されたボールは常にどの作動角においても、その作動角の二等分面内に維持され、継手の等速性が確保される。

この固定式等速自在継手において、内輪は、一般的に以下の要領でもってケージに組み付けられる。まず、ケージの軸方向に対して内輪を９０°回転させた向きに相対配置した上で、内輪のトラック溝間に位置する突状部をケージのポケットの一つに落とし込んだ状態でケージ内に内輪を挿入し、内輪の中心とケージの中心とが一致したところで内輪をケージの軸方向に対して９０°回転させることにより、ケージの軸線に内輪の軸線を一致させて正規の姿勢で配置する（例えば、特許文献１，２参照）。
ドイツ特許ＤＥ１９５１４８６８Ｃ１ 特許第３６７８０２６号公報

ところで、前述した特許文献１，２で開示されているように、内輪のケージへの組み付けにおいて、内輪の突状部をケージのポケットに落とし込むことを容易にするため、内輪の外球面の外輪開口側端部に切欠き部を形成するようにしている。

しかしながら、外球面の外輪開口側端部に切欠き部を形成した内輪形状の場合、前述の切欠き部を形成した分だけ内輪の外球面がケージの内球面に当接する接触面積が小さくなる。その結果、継手が高作動角をとって高トルクが負荷された場合、内輪からの球面力を、小さな接触面積でケージの内球面が受けることになり、ケージに過大な負荷が加わる。このケージに加わる過大な負荷により、継手の円滑な回転を得ることが困難となって継手の作動性を損なう可能性があり、また、ケージの十分な強度を確保することが困難になる可能性がある。

そこで、本発明は前述の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、高作動角、高トルク負荷時においても、円滑な回転を確保することができると共にケージへの負荷を低減し得る固定式等速自在継手を提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、一端が開口し、内球面に複数のトラック溝が軸方向に沿って形成された外側継手部材と、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が軸方向に沿って形成され、複数の外球面部が円周方向に配設された内側継手部材と、外側継手部材のトラック溝と内側継手部材のトラック溝との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、外側継手部材のトラック溝の曲率中心および内側継手部材のトラック溝の曲率中心が継手中心に対して等距離だけ軸方向に逆向きにオフセットされ、内側継手部材の外球面の継手開口側に位置する球面角を、高作動角、高トルク負荷時に内側継手部材の外球面の継手開口側端部がケージの内球面に食い込む現象を緩和するように１２．５°以上とすることにより、内側継手部材の外球面からケージの内球面へ球面力が作用した時に、内側継手部材の外球面の継手開口側端部がケージの内球面に接触する面積を球面力に耐え得る面積とし、内側継手部材の外球面部は、球面角よりも継手開口側に位置する外側部位に切欠き部が形成されていることを特徴とする。

ここで、内側継手部材の「外球面部」とは、複数のトラック溝間に配設され、径方向外側に向けてトラック溝底から隆起した突状部位を意味し、その突状部位の外周球状面を「外球面」と称す。また、外球面の「継手開口側」とは、外側継手部材の開口側を意味する。さらに、「球面角」とは、内側継手部材の外球面中心（継手中心）に対してその外球面の継手開口側端部がなす軸方向角度を意味する。

本発明では、内側継手部材の外球面の継手開口側に位置する球面角を１２．５°以上としたことにより、高作動角、高トルク負荷時において、内側継手部材の外球面からケージの内球面へ大きな球面力が作用しても、内側継手部材の外球面の継手開口側端部がケージの内球面に接触する面積を前述の球面力に耐え得る十分な面積として確保することができる。この接触面積の確保により、ケージに過大な負荷が加わることを回避することができ、円滑な回転を確保することができる。

本発明に係る固定式等速自在継手において、内側継手部材の外球面部は、その球面角よりも継手開口側に位置する外側部位に切欠き部が形成されている。

この固定式等速自在継手において、内側継手部材をケージに組み付けるに際しては、内側継手部材の外球面部をケージのポケットに落とし込んだ状態でその内側継手部材をケージに挿入するようにしている。そこで、前述したように内側継手部材の外球面部の球面角よりも継手開口側に位置する外側部位に切欠き部を形成することにより、その内側継手部材の外球面部をケージのポケットに容易に落とし込むことができる。

なお、切欠き部は、内側継手部材の全ての外球面部に形成することが望ましいが、少なくとも一つの外球面部に形成されていればよい。少なくとも一つの外球面部に切欠き部を形成しておけば、内側継手部材のケージへの組み付け時、内側継手部材の外球面部をケージのポケットに落とし込むことが容易となる。内側継手部材の全ての外球面部に切欠き部を形成しておけば、任意の外球面部をケージのポケットに落とし込むようにすることができて作業性の向上が図れる。

なお、本発明は、軸方向の縦断面が単一の円弧面形状を有するトラック溝を持つ外側継手部材および内側継手部材を具備したバーフィールド型の固定式等速自在継手（ＢＪ）や、軸方向と平行なストレート底を有するトラック溝を持つ外側継手部材および内側継手部材を具備したアンダーカットフリー型の固定式等速自在継手（ＵＪ）のいずれにも適用可能である。

本発明によれば、内側継手部材の外球面の継手開口側に位置する球面角を１２．５°以上としたことにより、高作動角、高トルク負荷時において、内側継手部材の外球面からケージの内球面へ大きな球面力が作用しても、内側継手部材の外球面の継手開口側端部がケージの内球面に接触する面積を十分確保することができるので、内側継手部材の外球面の継手開口側端部がケージの内球面に食い込む現象を緩和できる。

このように、接触面積の確保により、ケージへの過大な負荷を軽減することができるので、内側継手部材の外球面からケージの内球面へ大きな球面力に耐え得るケージ強度を確保することができ、円滑に回転して作動性が良好で、信頼性の高い長寿命の固定式等速自在継手を提供できる。

本発明に係る固定式等速自在継手の実施形態を詳述する。図１に示す実施形態は、軸方向の縦断面が単一の円弧面形状を有するトラック溝を持つ外側継手部材および内側継手部材を具備したバーフィールド型の固定式等速自在継手（ＢＪ）を例示し、図２に示す実施形態は、軸方向と平行なストレート底を有するトラック溝を持つ外側継手部材および内側継手部材を具備したアンダーカットフリー型の固定式等速自在継手（ＵＪ）を例示する。なお、これらバーフィールド型やアンダーカットフリー型以外のトラック溝形状を有する他の固定式等速自在継手にも適用可能である。

図１に示すＢＪタイプの固定式等速自在継手は、一端が開口し、内球面１０に複数のトラック溝１１が円周方向等間隔に軸方向に沿って形成された外側継手部材としての外輪１２と、外球面１３に外輪１２のトラック溝１１と対をなす複数のトラック溝１４が円周方向等間隔に軸方向に沿って形成された内側継手部材としての内輪１５と、外輪１２のトラック溝１１と内輪１５のトラック溝１４との間に介在してトルクを伝達する複数のボール１６と、外輪１２の内球面１０と内輪１５の外球面１３との間に介在してボール１６を保持するケージ１７とを備えている。

複数のボール１６は、ケージ１７に形成されたポケット１８に収容されて円周方向等間隔に配置されている。このボール１６の数、換言すれば、トラック溝１１，１４の数、ケージ１７のポケット１８の数は任意であるが、例を挙げるならば６あるいは８である。この実施形態では、６個の場合を例示しているが、ボール１６が８個の場合、コンパクトな等速自在継手を実現することができる。また、これら内輪１４、ボール１６およびケージ１７からなる内部部品は、外輪１２の内部に収容されている。内輪１５は、複数のトラック溝１４間に配設され、径方向外側に向けてトラック溝底から隆起した複数の突状部位を有し、以下の説明において、外球面部１９はこの突状部位を指し、外球面１３はその突状部位である外球面部１９の外周球状面を指す。

このＢＪタイプの等速自在継手におけるトラック溝１１，１４は、軸方向の縦断面が単一の円弧面形状を有する。外輪１２のトラック溝１１の曲率中心Ｏ₁₁および内輪１５のトラック溝１４の曲率中心Ｏ₁₂は、ボール中心を含む継手中心Ｏ₁₀に対して等距離Ｆだけ軸方向に逆向きにオフセットされている（トラックオフセット）。なお、外輪１２の内球面１０（ケージ１７の外球面）の曲率中心および内輪１５の外球面１３（ケージ１７の内球面）の曲率中心は前述の継手中心Ｏ₁₀と一致している。このように、トラックオフセットを設けることにより、一対のトラック溝１１，１４でもって外輪１２の奥側から開口側に向けて径方向間隔が徐々に増加する楔状のボールトラックが形成されている。

一方、図２に示すＵＪタイプの固定式等速自在継手は、一端が開口し、内球面２０に複数のトラック溝２１が円周方向等間隔に軸方向に沿って形成された外側継手部材としての外輪２２と、外球面２３に外輪２２のトラック溝２１と対をなす複数のトラック溝２４が円周方向等間隔に軸方向に沿って形成された内側継手部材としての内輪２５と、外輪２２のトラック溝２１と内輪２５のトラック溝２４との間に介在してトルクを伝達する複数のボール２６と、外輪２２の内球面２０と内輪２５の外球面２３との間に介在してボール２６を保持するケージ２７とを備えている。

複数のボール２６は、ケージ２７に形成されたポケット２８に収容されて円周方向等間隔に配置されている。このボール２６の数、換言すれば、トラック溝２１，２４、ケージ２７のポケット２８の数は任意であるが、例を挙げるならば６あるいは８である。この実施形態では、６個の場合を例示しているが、ボール２６が８個の場合、コンパクトな等速自在継手を実現することができる。また、これら内輪２５、ボール２６およびケージ２７からなる内部部品は、外輪２２の内部に収容されている。内輪２５は、複数のトラック溝２４間に配設され、径方向外側に向けてトラック溝底から隆起した複数の突状部位を有し、以下の説明において、外球面部２９はこの突状部位を指し、外球面２３はその突状部位である外球面部２９の外周球状面を指す。

このＵＪタイプの等速自在継手におけるトラック溝２１，２４は、軸方向と平行なストレート底を有する。つまり、外輪２２のトラック溝２１は、その外輪開口側に位置する直線部分と外輪奥側に位置する円弧部分とからなり、内輪２５のトラック溝２４は、その外輪奥側に位置する直線部分と外輪開口側に位置する円弧部分とからなる。外輪２２のトラック溝２１の円弧部分の曲率中心Ｏ₂₁および内輪２５のトラック溝２４の円弧部分の曲率中心Ｏ₂₂は、ボール中心を含む継手中心Ｏ₂₀に対して等距離ｆだけ軸方向に逆向きにオフセットされている（トラックオフセット）。なお、外輪２２の内球面２０（ケージ２７の外球面）の曲率中心および内輪２５の外球面２３（ケージ２７の内球面）の曲率中心は前述の継手中心Ｏ₂₀と一致している。このように、トラックオフセットを設けることにより、一対のトラック溝２１，２４でもって外輪２２の奥側から開口側に向けて径方向間隔が徐々に増加する楔状のボールトラックが形成されている。

これらの等速自在継手を、例えば自動車のドライブシャフトに使用した場合、外輪１２，２２を従動軸に連結し、車体側のディファレンシャルに取り付けられた摺動式等速自在継手から延びる駆動軸（シャフト）を内輪１５，２５にスプライン嵌合で連結した構造としている。この等速自在継手では、外輪１２，２２と内輪１５，２５との間に作動角が付与されると、ケージ１７，２７に収容されたボール１６，２６は常にどの作動角においても、その作動角の二等分面内に維持され、継手の等速性が確保される。

前述した構成を具備した固定式等速自在継手の一部品である内輪１５，２５を図３（ａ）（ｂ）および図４に示す。図３（ａ）は図１に示すＢＪタイプの等速自在継手に組み込まれた内輪１５を示し、図３（ｂ）は図２に示すＵＪタイプの等速自在継手に組み込まれた内輪２５を示す。また、図４は、両タイプの等速自在継手で共通に説明するため、一つの内輪１５，２５を示す。以下、内輪１５，２５については、ＢＪタイプの等速自在継手とＵＪタイプの等速自在継手で共通して説明する。

両タイプの内輪１５，２５は、図３（ａ）（ｂ）に示すようにその外球面１３，２３（図４参照）の継手開口側に位置する球面角α₁₀，α₂₀（α₁₀＝α₂₀）を１２．５°以上としている。ここで、球面角α₁₀，α₂₀は、内輪１５，２５の外球面中心（継手中心Ｏ₁₀，Ｏ₂₀）に対してその外球面１３，２３の継手開口側端部がなす軸方向角度である。この球面角α₁₀，α₂₀を１２．５°以上としたのは、以下の理由に基づく。

図５および図６は、内輪１５，２５にスプライン嵌合された駆動軸としてのシャフト３０が最大作動角（例えば５０°）をとった状態を示す。このシャフト３０にトルクを負荷すると、内輪１５，２５とケージ１７，２７間、およびケージ１７，２７と外輪１２，２２間に球面力が発生する。この最大作動角時における内輪１５，２５とケージ１７，２７間に作用する球面力については、位相角０°〜３６０°（図６参照）の間で、位相角１８０°方向にシャフト３０が最大作動角をとった状態の場合、特に位相角２４０°〜３４０°間で大きな球面力が発生する。この球面力は、位相角２４０°近辺でそれまで０の状態であったのが急激に発生し出す。

そこで、継手が最大作動角をとった時において、位相角２４０°状態での内輪１５，２５とケージ１７，２７との接触状態に着目し、その内輪１５，２５とケージ１７，２７との接触状態を図７に示す。図７は、図６のＡ−Ｏ−Ｂ線に沿う断面図で、図６のＡ（位相角２４０°）側を上方に、かつ、図６のＢ（位相角６０°）側を下方にした図である。なお、図７ではシャフト３０を図示省略している。

図７に示すように、位相角１８０°方向にシャフト３０が最大作動角をとった状態の場合、図６のＡ（位相角２４０°）側では、内輪１５，２５の外球面１３，２３の継手開口側端部がケージ１７，２７の内球面の曲率中心よりも奥側で接触する場合には、内輪１５，２７からの球面力は、ケージ１７，２７の内球面の奥側のみで受けることになる。この状態からシャフト３０がさらに回転すると、内輪１５，２５は前述の球面力によってケージ１７，２７の内球面に食い込む方向に回転するため、そのケージ１７，２７に過大な負荷が加わることになり、高作動角、高トルク負荷時にケージ１７，２７が過大応力を受ける場合がある。

このケージ１７，２７に加わる過大な負荷に対して、内輪１５，２５の外球面１３，２３の継手開口側に位置する球面角α₁₀，α₂₀を１２．５°以上とする〔図３（ａ）（ｂ）参照〕。高作動角、高トルク負荷時において、内輪１５，２５の外球面１３，２３の継手開口側からケージ１７，２７の内球面へ大きな球面力が作用しても、内輪１５，２５の外球面１３，２３の継手開口側端部がケージ１７，２７の内球面の入口側で確実に接触し、接触する面積を前述の球面力に耐え得るように十分に確保することができる。

この接触面積の確保により、内輪１５，２５の外球面１３，２３の継手開口側端部がケージ１７，２７の内球面に食い込む現象を緩和できる。その結果、ケージ１７，２７に過大な負荷が加わることを回避することができ、円滑な回転を確保することができる。

このように、接触面積の確保により、ケージ１７，２７への過大な負荷を軽減することができるので、内輪１５，２５の外球面１３，２３からケージ１７，２７の内球面へ作用する大きな球面力に耐え得るケージ強度を確保することができ、円滑に回転して作動性が良好で、信頼性の高い長寿命の固定式等速自在継手を提供できる。

なお、内輪１５，２５の外球面１３，２３の継手開口側に位置する球面角α₁₀，α₂₀が１２．５°よりも小さいと、内輪１５，２５からケージ１７，２７に作用する球面力に対して、その内輪１５，２５のケージ１７，２７との接触面積を十分に確保することが困難となり、ケージ１７，２７への過大な負荷の軽減およびケージ強度の確保が難しくなって継手が円滑に回転しない可能性がある。

次に、図８（ａ）（ｂ）および図９（ａ）（ｂ）は、内輪１５，２５の外球面部１９，２９の球面角α₁₀，α₂₀よりも継手開口側に位置する外側部位に切欠き部を形成した場合を例示する。この切欠き部としては、図８（ａ）（ｂ）に示すように径方向に深く段状に切り欠いた形状を有する切欠き部４１，４２や、図９（ａ）（ｂ）に示すように径方向に浅くテーパ状に切り欠いた形状を有する切欠き部５１，５２が有効である。

ここで、内輪１５，２５は、以下の要領でもってケージ１７，２７に組み付けられる。なお、以下では図８（ａ）（ｂ）に示す内輪１５，２５（切欠き部４１，４２）を組み付ける場合を例示するが、図９（ａ）（ｂ）に示す内輪１５，２５（切欠き部５１，５２）についても同様である。

まず、ケージ１７，２７の軸方向に対して内輪１５，２５を９０°回転させた向きに相対配置した上で、図１０および図１１に示すようにその内輪１５，２５のトラック溝１４，２４間に位置する一つの外球面部１９，２９をケージ１７，２７のポケット１８，２８の一つに落とし込んだ状態でその内輪１５，２５をケージ１７，２７に挿入するようにしている。

この時、前述したように内輪１５，２５の外球面部１９，２９に切欠き部４１，４２を形成しておけば、その内輪１５，２５の外球面部１９，２９をケージ１７，２７のポケット１８，２８に容易に落とし込むことができる。その後、内輪１５，２５の中心とケージ１７，２７の中心とが一致したところで内輪１５，２５をケージ１７，２７の軸方向に対して９０°回転させることにより、ケージ１７，２７の軸線に内輪１５，２５の軸線を一致させて正規の姿勢で配置する。

なお、切欠き部４１，４２，５１，５２は、内輪１５，２５の全ての外球面部１９，２９に形成することが望ましいが、少なくとも一つの外球面部１９，２９に形成されていればよい。全ての外球面部１９，２９に切欠き部４１，４２，５１，５２を形成する場合は、内輪１５，２５の鍛造時に形成すればよく、その鍛造後の旋削により形成することも可能である。また、全ての外球面部１９，２９に切欠き部４１，４２，５１，５２を形成しない場合には、内輪１５，２５の鍛造時に形成すればよい。

このように、少なくとも一つの外球面部１９，２９に切欠き部４１，４２，５１，５２を形成しておけば、内輪１５，２５のケージ１７，２７への組み付け時、内輪１５，２５の外球面部１９，２９をケージ１７，２７のポケット１８，２８に落とし込むことが容易となる。また、内輪１５，２５の全ての外球面部１９，２９に切欠き部４１，４２，５１，５２を形成しておけば、任意の外球面部１９，２９をケージ１７，２７のポケット１８，２８に落とし込むようにすることができて作業性の向上が図れる。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

本発明の実施形態で、バーフィールド型の固定式等速自在継手の全体構成を示す断面図である。 本発明の他の実施形態で、アンダーカットフリー型等速自在継手の全体構成を示す断面図である。 （ａ）は図１の等速自在継手の構成部品である内輪を示す部分断面図、（ｂ）は図２の等速自在継手の構成部品である内輪を示す部分断面図である。 図１および図２の等速自在継手で共通して説明するためのもので、内輪を示す側面図である。 最大作動角をとった状態にある等速自在継手を示す正面図である。 図５の右側面図である。 図６のＡ−Ｏ−Ｂ線で断面をとった斜視図である。 （ａ）は図３（ａ）の内輪で切欠き部を形成した一例を示す部分断面図、（ｂ）は図３（ｂ）の内輪で切欠き部を形成した一例を示す部分断面図である。 （ａ）は図３（ａ）の内輪で切欠き部を形成した他例を示す部分断面図、（ｂ）は図３（ｂ）の内輪で切欠き部を形成した他例を示す部分断面図である。 図８（ａ）（ｂ）あるいは図９（ａ）（ｂ）の内輪をケージに組み付ける状態で、正面から見た断面図である。 図８（ａ）（ｂ）あるいは図９（ａ）（ｂ）の内輪をケージに組み付ける状態で、側面から見た断面図である。

符号の説明

１０，２０ 内球面
１１，２１ トラック溝
１２，２２ 外側継手部材（外輪）
１３，２３ 外球面
１４，２４ トラック溝
１５，２５ 内側継手部材（内輪）
１６，２６ ボール
１７，２７ ケージ
１８，２８ ポケット
１９，２９ 外球面部
４１，４２，５１，５２ 切欠き部
α₁₀，α₂₀ 球面角

Claims (4)

1. 一端が開口し、内球面に複数のトラック溝が軸方向に沿って形成された外側継手部材と、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が軸方向に沿って形成され、複数の外球面部が円周方向に配設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内側継手部材のトラック溝との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、前記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、前記外側継手部材のトラック溝の曲率中心および内側継手部材のトラック溝の曲率中心が継手中心に対して等距離だけ軸方向に逆向きにオフセットされ、前記内側継手部材の外球面の継手開口側に位置する球面角を、高作動角、高トルク負荷時に前記内側継手部材の外球面の継手開口側端部が前記ケージの内球面に食い込む現象を緩和するように１２．５°以上とすることにより、内側継手部材の外球面からケージの内球面へ球面力が作用した時に、内側継手部材の外球面の継手開口側端部がケージの内球面に接触する面積を前記球面力に耐え得る面積とし、前記内側継手部材の外球面部は、前記球面角よりも継手開口側に位置する外側部位に切欠き部が形成されていることを特徴とする固定式等速自在継手。
2. 前記切欠き部は、内側継手部材の少なくとも一つの外球面部に形成されている請求項１に記載の固定式等速自在継手。
3. 前記外側継手部材および内側継手部材は、軸方向の縦断面が単一の円弧面形状を有するトラック溝が形成されている請求項１又は２に記載の固定式等速自在継手。
4. 前記外側継手部材および内側継手部材は、軸方向と平行なストレート底を有するトラック溝が形成されている請求項１又は２に記載の固定式等速自在継手。

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