JP5230977B2 - 等速自在継手用シリコーン製ブーツ及び等速自在継手 - Google Patents

Description

本発明は、等速自在継手用シリコーン製ブーツ及び等速自在継手に関するものである。

自動車や各種産業機械における動力の伝達に用いられる等速自在継手には、継手内部への塵埃等の異物浸入防止や継手内部に封入されたグリースの漏れ防止を目的とし、蛇腹状のブーツが装着される。等速自在継手用ブーツの材料としては、シリコーン材、ＣＲ材（クロロプレン）、ＶＡＭＡＣ材（エチレンアクリルゴム）、ＣＭ材（塩素化ポリエチレン）等が知られている。

この種のブーツは、図７に示すように、等速自在継手の外側継手部材としての外輪に固定される大径部１０１と、内側継手部材としての内輪から延びるシャフト１０８に固定される小径部１０２と、大径部１０１と小径部１０２との間に設けられ、谷部１０３と山部１０４とが交互に形成された蛇腹部１０５とを有する。そして、大径部１０１と小径部１０２とはそれぞれブーツバンド１０９が装着されることによって固定される。

近年、特に自動車用の等速自在継手においては、省スペース化や排気管に近いレイアウトに置かれるなど等速自在継手の使用環境が厳しくなってきており、等速自在継手用ブーツに対しても、今まで以上に要求される性能が高まってきている。熱害による対策としては、シリコーン材、エチレンアクリルゴム、塩素化ポリエチレンの適用が考えられるが、１４０℃以上の高温雰囲気と−４０℃以下の低温雰囲気の両方に耐え得る材料としてはシリコーン材料が最も有効な材料として知られている（特許文献１〜特許文献３）。

ところで、等速自在継手には、作動角を取りながら回転したり、軸線方向に摺動したりしながら回転する機能が備わっており、等速自在継手用ブーツは、その挙動に追従するために変形する。その変化に伴い、隣接する山部が干渉することで摩耗を生じたり、谷部内面とシャフトとが干渉することで摩耗を生じたり、あるいは、山部や谷部に繰返し応力が発生することで疲労亀裂が生じたりする。それらが進行するとブーツが破損に至る場合がある。このため、これらの摩耗性や疲労性などの耐久性をより向上できる設計がブーツには求められる。

シリコーン製ブーツの小径部１０２は、図８に示すような形状を採用している。すなわち、小径部１０２の外径面には、ブーツバンドを取り付けるための嵌合溝１１０が周方向に沿って設けられている。嵌合溝１１０は、その軸方向両端面１１７、１１８がそれぞれ、その底面１１９から径方向にこの底面１１９と直角をなすよう延びる。また、嵌合溝１１０が形成されたシャフト装着部１１１と、蛇腹部１０５の小径側の山部１０４との間には、比較的肉厚の連結部１２０が形成されている。すなわち、この嵌合溝１１０の蛇腹部側軸方向端面１１７の外径端から蛇腹部側に向かってストレート部１１２を有している。そして、ストレート部１１２と蛇腹部１０５の山部１０４の外径面とが、アール部１１３を介して連続している。
特許２５５３０９８号公報 特開平１０−２９９７８８号公報 特開平１０−２９９７８９号公報

しかしながら、図８に示すようなシリコーン製ブーツでは、嵌合溝１１０と、小径部側の山部（第１山部）１０４との間（アール部１１３近傍）や、嵌合溝１１０の蛇腹部側の軸方向端面１１７と底面１１９とのコーナ部には応力集中がしやすく、ここから亀裂発生のおそれがある。すなわち、等速自在継手が作動角をとったり、摺動したりすると、第１山部以外の山部や谷部は、その動きに追従することができる。しかしながら、連結部１２０は肉厚であるため剛性が大であり、アール部１１３、及び軸方向端面１１７と底面１１９とのコーナ部においては座屈しにくい。このため、アール部１１３近傍や、軸方向端面１１７と底面１１９とのコーナ部には応力集中が生じて、場合によっては疲労亀裂が生じる可能性があった。特に、シリコーン材料には一旦亀裂が発生すると、そこから直ぐに亀裂が進展してしまうため、シリコーンブーツを使用する際は、亀裂を発生させない設計が求められる。

本発明は、上記課題に鑑みて、ブーツ小径部の亀裂の発生を抑えることが可能となって、耐久性を向上することができる等速自在継手用シリコーン製ブーツ及び等速自在継手を提供する。

本発明の等速自在継手用シリコーン製ブーツは、等速自在継手の外側継手部材に装着される大径部と、等速自在継手の内側継手部材に連結されたシャフトに装着される小径部と、大径部と小径部との間に配置されて、山部と谷部とが交互に形成される蛇腹部とを備えた等速自在継手用シリコーン製ブーツにおいて、前記小径部は、その外径面にブーツバンド装着用の嵌合溝が形成されたシャフト装着部と、このシャフト装着部から肉厚部を介して蛇腹部に連結されてシャフト装着部及び蛇腹部に対する座屈状変位を許容する肉薄部とを備えたものである。

本発明の等速自在継手用シリコーン製ブーツでは、肉厚部から蛇腹部の小径部側の第１山部までは肉薄部が形成される。この肉薄部は剛性が小であるため、等速自在継手が作動角をとったり、摺動したりするときに、第１山部の嵌合溝側の斜面が蛇腹部側や反蛇腹部側へ座屈状変位するのを許容する。このため、嵌合溝の蛇腹部側のコーナ部、肉薄部の蛇腹部側のコーナ部への応力集中を防止することができる。

肉薄部の蛇腹部側の外径部と、蛇腹部の小径部側の第１山部の外径部とをアール部を介して連続させることができる。これにより、アール部にかかる応力を分散させることができて、肉薄部の蛇腹部側のコーナ部への応力集中を一層防止することができる。

前記小径部の内径面は、嵌合溝に対向して配置されてシャフトのブーツ嵌合部に嵌合する内径側膨出部と、肉薄部内径側のストレート部とを備えることができる。これにより、嵌合溝を形成しても、シャフト装着部は十分な強度を有し、しかも、内径側膨出部がシャフトのブーツ嵌合部に嵌合することによって、位置ずれを有効に防止することができる。また、内径側のストレート部がシャフトの外径面に密接して、小径部のシャフト装着状態が安定する。

嵌合溝の肉厚部側のコーナ部に、周方向溝を設けるのが好ましい。この周方向溝によって、シャフト装着部に対する肉薄部の揺動時に、座屈状変位を安定して許容することができ、このコーナ部に過大な負荷が作用するのが防止される。

軸線方向の変位と作動角の変位とを許容する摺動式等速自在継手とすることや、作動角の変位のみを許容する固定式等速自在継手とすることができる。すなわち、高作動角を取ることのできるタイプ（例えば、ツェッパ型、バーフィールド型等の固定式等速自在継手）や、外側継手部材の軸線方向にスライドする機構を備えたタイプ（例えば、ダブルオフセット型、トリポード型、クロスグルーブ型等の摺動式等速自在継手）など、あらゆる等速自在継手に適用できる。

本発明は、嵌合溝の蛇腹部側のコーナ部、肉薄部の蛇腹部側のコーナ部への応力集中を防止することができ、この部位からの亀裂の発生を抑えることができて、ブーツの耐久性の向上を図ることができる。これにより、長期にわたって継手内部への塵埃等の異物浸入や、継手内部に封入されたグリースの漏れを防止することができて、安定した機能を発揮するブーツを提供することができる。

肉薄部の蛇腹部側のコーナ部にはアール部が形成されており、アール部にかかる応力を分散させることができるため、この部位の応力集中を一層防止することができる。

シャフト装着部は十分な強度を有し、しかも、内径側膨出部がシャフトのブーツ嵌合部に嵌合することによって、位置ずれを有効に防止できる。また、内径側のストレート部がシャフトの外径面に密接して、小径部のシャフト装着状態が安定する。すなわち、小径部は、長期にわたって安定したシャフト装着状態が維持され、このブーツは、ブーツとしての機能を有効に発揮することができる。

嵌合溝の肉厚部側のコーナ部の周方向溝によって、このコーナ部に過大な負荷が作用するのが防止され、耐久性の向上を一層図ることができる。

前記本発明に係るブーツを、あらゆる等速自在継手に適用できることにより、疲労性に優れた等速自在継手用ブーツを装着した、耐久性に優れる等速自在継手を構成することができる。特に自動車用のドライブシャフトに用いられるデファレンシャルギア側に使用する摺動式等速自在継手への適用が好ましい。これは、この等速自在継手が高温雰囲気中に曝される頻度が高いためである。

以下本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。

本発明の等速自在継手用ブーツ１０は、図１に示すように、等速自在継手に取付けられるものである。この場合の等速自在継手は、トリポード型等速自在継手を示し、外側継手部材２と、内側継手部材としてのトリポード部材４と、トルク伝達部材としてのローラ３を主要な構成要素としている。

外側継手部材２は一体に形成されたマウス部４２と図示省略のステム部とからなる。マウス部４２は反ステム部側に開口したカップ状で、その外周面に、図２に示すように、大径部４２ａと小径部４２ｂとが交互に現れる非円筒形状とされている。すなわち、この大径部４２ａと小径部４２ｂとを形成することによって、マウス部４２内に、周方向に沿って１２０度ピッチで配設されるトラック溝４５が形成される。

トリポード部材４はボス４８と脚軸４９とからなる。ボス４８にはシャフト９とトルク伝達可能に結合するスプラインまたはセレーション孔５０が形成してある。脚軸４９はボス４８の円周方向三等分位置から半径方向に突出している。トリポード部材４の各脚軸４９はローラ３を担持している。脚軸４９とローラ３との間には複数の針状ころ５が介在させてあり、ローラ３は脚軸４９の軸線を中心として回転自在である。なお、図１ではローラ３の脱落防止のための止め輪やワッシャ等を省略してある。また、ここでは、１つの脚軸４９に１つのローラ３を支持させたシングルローラタイプを例示してあるが、相対回転自在の内外ローラを支持させたダブルローラタイプであってもよい。

等速自在継手用ブーツ１０は、図３に示すように、等速自在継手の外側継手部材２の開口端部に装着される大径部１３と、等速自在継手の内側継手部材４に連結されたシャフト９に装着される小径部１４と、大径部１３と小径部１４との間に設けられ、軸方向に沿って交互に配設される山部７と谷部６とを有する蛇腹部１５とを備える。山部７と谷部６とは傾斜部１２にて連結されている。なお、小径部側の最も近傍に位置する山部７を第１山部７ａといい、大径部側に向かって順に第２山部７ｂ、第３山部７ｃという。また、小径部の最も近傍に位置する谷部６を第１谷部６ａといい、大径部側に向かって順に第２谷部６ｂ、第３谷部６ｃという。

小径部１４は、図４に示すように、その外径面にブーツバンド装着用の嵌合溝１９が形成されたシャフト装着部３７と、このシャフト装着部３７から肉厚部２５を介して蛇腹部１５に連結される肉薄部３８とを備えている。肉薄部３８は、小径部１４の外径面に凹みを形成することによって構成している。肉薄部３８の蛇腹部側の外径部と、蛇腹部１５の小径部側の第１山部７ａの外径部とは、アール部２７を介して連続しており、肉薄部３８の外径面は、外径側ストレート部２６を有している。また、外径側ストレート部２６と嵌合溝１９との間に、外径方向に膨出する肉厚部２５を設けている。肉薄部３８の厚さ寸法は、蛇腹部１５の厚さ寸法（肉厚）よりも大きく設定されている。すなわち、肉薄部３８は、蛇腹部１５よりも剛性が大となる。

また、嵌合溝１９の肉厚部側のコーナ部２８に、周方向溝３５を設けている。すなわち、周方向溝３５は、嵌合溝１９の底面３９の蛇腹部側端部から蛇腹部側に向かって縮径するテーパ壁３５と、嵌合溝１９の肉厚部側の径方向壁３６とから構成される。また、嵌合溝１９の反蛇腹部側にも、径方向壁４０と、この径方向壁４０の内径端から蛇腹部側に向かって拡径するテーパ壁とからなる周方向溝４１が形成されている。

ブーツの小径部１４の内径面には、嵌合溝１９に対向する部位に、断面台形状の内径側膨出部２９と、肉厚部２５及びストレート部２６に対向する内径側ストレート部３１とが設けられている。そして、内径側ストレート部３１と第１山部７ａの内径面とは、内径アール部３２を介して連続している。また、内径側膨出部２９には、軸方向に沿って２箇所の突起部３０が設けられている。

等速自在継手用ブーツ１０は、シリコーンにて形成される。シリコーンは、シロキサン結合を骨格とした高分子有機化合物（ポリマー）の総称である。シリコーンは無色・無臭で撥水性があり、重合度などの違いによりグリース、ワックス、オイル、ゴム（エラストマー）、ゲルなどの形態の製品が提供される。いずれも、相当する炭素骨格ポリマーに比べて耐油性・耐酸化性・耐熱性が高く、不導体である。

外側継手部材２の開口部側の外周面には、ブーツ取付部１６が設けられ、このブーツ取付部１６に大径部１３が外嵌される。そして、ブーツ１０の大径部１３の外周面に形成された嵌合溝１７にブーツバンド１８を嵌着することによって、大径部１３を外側継手部材２に固定している。

シャフト９には、外側継手部材２から所定量突出した位置に、周方向に沿ったブーツ取付用溝２０を有するブーツ嵌合部２２が設けられ、小径部１４がブーツ嵌合部２２に外嵌される。そして、ブーツ１０の小径部１４の外周面に形成された嵌合溝１９にブーツバンド１８を嵌着することによって、小径部１４をシャフト９に固定している。

このように、本発明の等速自在継手用シリコーン製ブーツでは、肉厚部２５から蛇腹部１５の小径部側の第１山部７ａまでは肉薄部３８が形成され、この肉薄部３８は剛性が小である。このため、等速自在継手が作動角をとったり、摺動したりするときに、第１山部７ａの嵌合溝側の斜面が蛇腹部側や反蛇腹部側へ座屈状変位するのを許容する。すなわち、嵌合溝１９の蛇腹部側のコーナ部、肉薄部３８の蛇腹部側のコーナ部への応力集中を防止することができ、この部位からの亀裂の発生を抑えることができて、ブーツの耐久性の向上を図ることができる。これにより、長期にわたって継手内部への塵埃等の異物浸入や、継手内部に封入されたグリースの漏れを防止することができて、安定した機能を発揮するブーツを提供することができる。

肉薄部３８の蛇腹部側の外径部と、蛇腹部１５の小径部側の第１山部７ａの外径部とをアール部２７を介して連続させている。これにより、アール部２７にかかる応力を分散させることができて、肉薄部３８の蛇腹部側のコーナ部への応力集中を一層防止することができる。

前記小径部１４の内径面は、嵌合溝１９に対向して配置されてシャフト９のブーツ嵌合部２２に嵌合する内径側膨出部２９と、肉薄部内径側のストレート部３１とを備えている。これにより、嵌合溝１９を形成しても、シャフト装着部３７は十分な強度を有し、しかも、内径側膨出部２９がシャフト９のブーツ嵌合部２２に嵌合することによって、位置ずれを有効に防止することができる。また、内径側のストレート部３１がシャフト９の外径面に密接して、小径部１４のシャフト装着状態が安定する。すなわち、小径部１４は、長期にわたって安定したシャフト装着状態が維持され、このブーツは、ブーツとしての機能を有効に発揮することができる。

嵌合溝１９の肉厚部側のコーナ部２８に、周方向溝３５を設けている。この周方向溝３５によって、シャフト装着部３７に対する肉薄部３８の揺動時にこのコーナ部２８に過大な負荷が作用するのが防止され、耐久性の向上を一層図ることができる。

本発明のブーツが適用される等速自在継手には、高作動角を取ることのできるタイプ（例えばツェッパ型、バーフィールド型などのボールを用いた固定式等速自在継手）や、作動角はそれ程大きく取ることはできないが外側継手部材の軸線方向にスライドする機構を兼ね備えたタイプ（例えばダブルオフセット型、トリポード型、クロスグルーブ型などの摺動式等速自在継手）等がある。このため、本発明のブーツは、これらの種々の等速自在継手に適用することができる。これにより、疲労性に優れた等速自在継手用シリコーン製ブーツを装着した、耐久性に優れる等速自在継手を構成することができる。

本発明のブーツは、特に自動車用のドライブシャフトに用いられるデファレンシャルギア側に使用する摺動式等速自在継手への適用が好ましい。これは、この等速自在継手が高温雰囲気中に曝される頻度が高いためである。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、実施形態では肉薄部３８の外径面をストレートに形成しているが、内径側に凹状となるアールにて形成してもよい。また、肉厚部２５の軸方向寸法や径方向寸法、外径側ストレート部２６の軸方向寸法は任意に設定することができる。また、嵌合溝１９の反蛇腹部側の周方向溝を省略することも可能である。さらには、蛇腹部１５の山部７と谷部６の数も前記実施形態に限定されるものではなく、種々の全長のブーツ１０を使用することができる。

等速自在継手用シリコーン製ブーツの発明品と、等速自在継手用シリコーン製ブーツの比較品とを製作して、常温揺動耐久試験を行った。試験条件は、発明品及び比較品のいずれも同一条件とした。すなわち、発明品と比較品を１００℃、５０時間放置した後、回転数６００ｒｐｍ、振動数３０ｃｐｍ、常温で２００時間の揺動回転を行った。発明品は、小径部の形状が本発明のような形状、すなわち、図１、図３、及び図４に示すような形状を有する等速自在継手用シリコーン製ブーツである。比較品は、小径部の形状が従来のような形状、すなわち、図７及び図８に示すような形状を有する等速自在継手用シリコーン製ブーツである。

そして、嵌合溝の蛇腹部側のコーナ部と、小径部の外径面のアール部において、亀裂の有無を観察した。

比較品では、図５（ａ）に示すように、嵌合溝の蛇腹部側のコーナ部に周方向に沿って亀裂３７が確認された。また、小径部のアール部においても、周方向に沿った亀裂３８が確認された。一方、発明品では、図５（ｂ）に示すように、嵌合部の蛇腹部側のコーナ部及び小径部のアール部のいずれも亀裂は確認されなかった。これにより、同一条件下では、嵌合部の蛇腹部側のコーナ部及び小径部のアール部において、発明品は比較品よりも亀裂の発生が抑えられることがわかった。

図６に、発明品と比較品とのＦＥＭ（Finite Element Method）解析結果を示す。図６において、白色が比較品の解析結果を示し、ハッチングが発明品の解析結果を示す。これにより、嵌合溝の蛇腹部側のコーナ部において、比較品は約１０ＭＰａの応力が負荷されるのに対して、発明品は約７．５ＭＰａの応力が負荷される。また、アール部において、比較品は約６．５ＭＰａの応力が負荷されるのに対して、発明品は約０．５ＭＰａの応力が負荷される。これにより、嵌合溝の蛇腹部側のコーナ部とアール部のいずれの部位においても、発明品は比較品よりも負荷される応力が低減されることがわかった。

本発明の実施形態を示す等速自在継手用シリコーン製ブーツを使用した等速自在継手の断面図である。 前記等速自在継手の拡大横断面図である。 本発明の等速自在継手用シリコーン製ブーツの断面図である。 本発明の等速自在継手用シリコーン製ブーツの要部拡大断面図である。 本発明の等速自在継手用シリコーン製ブーツと従来の等速自在継手用シリコーン製ブーツとで常温揺動耐久試験を行った後の斜視図であり、（ａ）は比較品、（ｂ）は発明品を示す。 本発明の等速自在継手用シリコーン製ブーツと従来の等速自在継手用シリコーン製ブーツとのＦＥＭ解析結果を示すグラフ図である。 従来の等速自在継手用シリコーン製ブーツを使用した断面図である。 従来の等速自在継手用シリコーン製ブーツの要部拡大断面図である。

符号の説明

２ 外側継手部材
４ 内側継手部材
６ 谷部
７ 山部
９ シャフト
１３ 大径部
１４ 小径部
１５ 蛇腹部
１９ 嵌合溝
２５ 肉厚部
２７ アール部
２８ コーナ部
２９ 内径側膨出部
３１ ストレート部
３５ 周方向溝
３７ シャフト装着部
３８ 肉薄部

Claims (3)

1. 等速自在継手の外側継手部材に装着される大径部と、等速自在継手の内側継手部材に連結されたシャフトに装着される小径部と、大径部と小径部との間に配置されて、山部と谷部とが交互に形成される蛇腹部とを備えた等速自在継手用シリコーン製ブーツにおいて、
   前記小径部は、その外径面にブーツバンド装着用の嵌合溝が形成されたシャフト装着部と、このシャフト装着部から肉厚部を介して蛇腹部に連結されてシャフト装着部及び蛇腹部に対する座屈状変位を許容する肉薄部とを備え、
   肉薄部の蛇腹部側の外径部と、蛇腹部の小径部側の第１山部の外径部とをアール部を介して連続させ、
   前記小径部の内径面は、前記嵌合溝に対向して配置されてシャフトのブーツ嵌合部に嵌合する内径側膨出部と、肉薄部内径側のストレート部とを備え、
   前記嵌合溝の肉厚部側のコーナ部に周方向溝を設け、
   前記肉厚部を、前記小径部の他の部分よりも大径としたことを特徴とする等速自在継手用シリコーン製ブーツ。
2. 軸線方向の変位と作動角の変位とを許容する摺動式等速自在継手であって、前記請求項１の等速自在継手用シリコーン製ブーツを装着したことを特徴とする等速自在継手。
3. 作動角の変位のみを許容する固定式等速自在継手であって、前記請求項１の等速自在継手用シリコーン製ブーツを装着したことを特徴とする等速自在継手。