JP2006266368A - 固定式等速自在継手 - Google Patents

Abstract

【課題】固定式等速自在継手の０deg位相における内・外輪のボール溝およびケージのポケットに負荷される荷重を極力小さくする。
【解決手段】内・外輪20，10のボール溝24，14をテーパ形状にし、かつ、トラックオフセット(F)を付与せずケージオフセット(f)のみ付与する。テーパ角度αは１２deg以下とする。ケージオフセット量ｆとＰＣＲとの比の値ｆ／ＰＣＲを０を越え０．１２以下の範囲とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は固定式等速自在継手に関する。等速自在継手は、自動車や各種産業機械の動力伝達系において、駆動側の回転軸と従動側の回転軸を連結して等角速度でトルクを伝達するもので、固定式と摺動式があり、摺動式が角度変位と軸方向変位を許容するのに対して固定式は角度変位のみを許容するタイプである。

一般に、固定式等速自在継手は、駆動側または従動側の軸とトルク伝達可能に結合する外側継手部材と、従動側または駆動側の軸とトルク伝達可能に結合する内側継手部材と、外側継手部材と内側継手部材との間に介在してトルクを伝達する複数のトルク伝達要素と、複数のトルク伝達要素を駆動軸と従動軸とがなす角度の二等分面内に保持するケージとを備えている。

近年、自動車の乗車空間拡大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、自動車のドライブシャフト等の連結用継手として使用されている固定式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。

高角化のニーズに対する固定式等速自在継手としては、トルク伝達要素が転動するトラックを構成する外側継手部材のボール溝と内側継手部材のボール溝の底をテーパ状にすることが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
特開２００１−１５３１４９号公報 特開２００１−３０４２８２号公報 特開２００１−３４９３３２号公報

特許文献１〜３に開示された固定式等速自在継手では、外側継手部材および内側継手部材のボール溝をテーパ形状にすることで高角化を容易にしている。しかしながら、軽量コンパクト化が主流となり、外側継手部材の外径が規制されている状況下、ボール溝のテーパ角度をより一層大きくしてゆくと外側継手部材の肉厚が薄くなり、外側継手部材の強度低下を招くことになる。

また、特許文献１に記載された固定式等速自在継手では、ケージオフセットを大きくすることでボールが一番飛び出す位相（位相角０deg：図３参照）においてケージポケットに負荷される荷重が少なくなるが、従来の一般的な等速自在継手は、高角になるに従って０deg位相の荷重が大きくなる。

本発明の主要な目的は、固定式等速自在継手の０deg位相における外輪および内輪のボール溝ならびにケージのポケットに負荷される荷重を極力小さくし、作動角の高角化を容易に達成し得るようにすることである。

本発明は、高角固定式等速自在継手の内部諸元の中で、０deg位相における外輪および内輪のボール溝ならびにケージのポケットに負荷される荷重を小さくする因子を内部力解析を使って調査し、それぞれの因子の範囲を最適設計することによって、課題を解決したものである。

すなわち、本発明の固定式等速自在継手は、内球面に、開口端まで軸方向に延びた複数のボール溝を円周方向等間隔に形成した外側継手部材と、外球面に、軸方向に延びた複数のボール溝を円周方向等間隔に形成した内側継手部材と、対をなす外側継手部材のボール溝と内側継手部材のボール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、ボールを収容するポケットを円周方向に配設したケージとを備え、外側継手部材のボール溝の開口端側溝底を、前記開口端に向かって直線的に拡径したテーパ状とし、内側継手部材のボール溝の、外側継手部材の反開口端側溝底を、前記反開口端側に向かって直線的に拡径したテーパ状とし、ケージの外球面中心と内球面中心は継手中心に対して軸方向に等距離だけ反対側にオフセットさせてあり、外側継手部材のボール溝の曲率中心と内側継手部材のボール溝の曲率中心は継手中心に対してケージオフセット分だけオフセットさせてあることを特徴とする。

外側継手部材のボール溝の曲率中心を内球面中心に対して、内側継手部材のボール溝の曲率中心を外球面中心に対して、軸方向に等距離だけ反対側にオフセットさせた場合（このオフセットをトラックオフセットと呼ぶこととする。）、外側継手部材の奥側にゆくほどボール溝が浅くなるため、作動角をとった時に外側継手部材の最奥部に位置するボールがボール溝の肩に乗り上げるおそれがある。このトラックオフセットをなくすることにより、外側継手部材の奥側でもボール溝が浅くならず、したがって、作動角をとった時でも外側継手部材の最奥部に位置するボールの乗り上げを抑制することができる。

請求項２の発明は、請求項１の固定式等速自在継手において、外側継手部材のボール溝および内側継手部材のボール溝のテーパ角度の上限値を１２°としたことを特徴とする。従来必要な基本性能である強度や耐久性を確保しながら、内部力解析、有限要素法（ＦＥＭ）解析を用いて検討を進め、ボール溝のテーパ角度の範囲を絞り込んで最適設定した。そして、テーパ角度を変えたサンプルの評価結果と解析結果との整合性を確認した。ボール溝をテーパ状とすることにより、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上で、外側継手部材の肉厚を薄くしてもその外側継手部材の強度および加工性を低下させないように、この固定式等速自在継手の内部諸元の中で、ボール溝をテーパ状にすることによる影響および傾向を検証し、テーパ角度の最適値としてその上限値を１２°に規定した。

請求項３の発明は、請求項１または２の固定式等速自在継手において、ケージの外球面中心および内球面中心のオフセット量ｆ（このオフセットをケージオフセットと呼ぶこととする。）と、外側継手部材のボール溝の曲率中心または内側継手部材のボール溝の曲率中心とボールの中心とを結ぶ線分の長さＰＣＲとの比の値ｆ／ＰＣＲが０を越え０．１２以下であることを特徴とする。ケージオフセット量ｆはケージの縦断面における肉厚差に関係するため、この点を考慮に入れてケージオフセット量ｆを設定するのが望ましい。

たとえば、ケージオフセット量ｆを大きく設定することにより、請求項４の発明のように、外側継手部材の開口端側のケージ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、外側継手部材の開口端側のケージの肉厚を増大させることによって、作動角をとった時、外側継手部材の開口端から飛び出そうとするボールをケージで拘束することができる。

ただし、ケージオフセット量ｆが大きすぎると、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。また、ケージの、外側継手部材の奥側つまり開口端とは反対側の肉厚が小さくなり、強度面が問題となる。

このように、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を設ける意義と前述の強度面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。そこで、外側継手部材のボール溝の曲率中心または内側継手部材のボール溝の曲率中心とボールの中心とを結ぶ線分の長さＰＣＲに対するケージオフセット量ｆの比の値ｆ／ＰＣＲを用いるならば、ケージオフセット量ｆは、ｆ／ＰＣＲが０を越え０．１２以下となるように設定することが望ましい。

ｆ／ＰＣＲが０．１２より大きいと前述の強度面での問題が生じる。逆に、０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。すなわち、ケージオフセットは、高作動角の時にボールがケージのポケットから飛び出すことを防ぐのが目的の一つであるところ、０より小さい範囲ではその目的が達成できない。したがって、ケージ強度の確保、耐久性の確保の点から、ｆ／ＰＣＲが０を越え０．１２以下となる範囲が、ケージオフセット量ｆの最適範囲である。

請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかの固定式等速自在継手において、外側継手部材のボール溝および内側継手部材のボール溝の仕上げ成形が冷間鍛造であることを特徴とする。テーパ状のトラック溝を冷間鍛造により仕上げ成形することにより、鍛造型が抜き易いことから冷間鍛造の加工性がよく、製造コストの低減が図れる。

本発明によれば、次のような効果が期待できる。０deg位相において外輪のボール溝に負荷される荷重（以下、外輪トラック荷重と呼ぶ）が低減する。０deg位相において内輪のボール溝に負荷される荷重（以下、内輪トラック荷重と呼ぶ）が低減する。０deg位相においてケージのポケットの外輪開口端側の荷重が低減する。つまり、当該固定式等速自在継手が、より高角域での作動において有利になるということである。

以下、図面に従って本発明の実施の形態を説明する。

図１に示す固定式等速自在継手は、外輪１０と、内輪２０と、ボール３０と、ケージ４０を主要な構成要素としている。この固定式等速自在継手によって連結すべき二軸を第一の回転軸と第二の回転軸と呼ぶならば、第一の回転軸を外輪１０と結合し、第二の回転軸を内輪２０と結合して、両者が角度をなした状態でも等速でトルクを伝達するようになっている。なお、図１は外輪１０の回転軸Ｘと内輪２０の回転軸Ｙとがなす角すなわち作動角θが０°の状態を示し、図３に作動角θが最大（５２°以上）の状態を示してある。

外側継手部材としての外輪１０はマウス部１６とステム部（図示せず）とからなり、ステム部にて第一の回転軸とトルク伝達可能に結合する。マウス部１６は一端にて開口した椀状で、その凹球面状内周面（以下、内球面という。）１２に、軸方向に延びた複数のボール溝１４が円周方向等間隔に形成してある。ボール溝１４はマウス部１６の開口端１８まで延びている。

内側継手部材としての内輪２０は、凸球面状外周面（以下、外球面という。）２２を有し、その外球面２２には軸方向に延びた複数のボール溝２４が円周方向等間隔に形成してある。ボール溝２４は内輪２０の軸方向に切り通してある。内輪２０は第二の回転軸とトルク伝達可能に結合するためのスプライン孔２６を有している。

外輪１０のボール溝１４と内輪２０のボール溝２４とは対をなし、各対のボール溝１４，２４で構成されるトラックに１個ずつ、トルク伝達要素としてのボール３０が転動可能に組み込んである。ボール３０は外輪１０のボール溝１４と内輪２０のボール溝２４との間に介在してトルクを伝達する。各ボール３０はケージ４０の円周方向に配設したポケット４６内に収容されている。ボール３０の数、したがってまたボール溝１４，２４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。

ケージ４０は外輪１０と内輪２０との間に摺動可能に介在し、外球面４２にて外輪１０の内球面１２と接し、内球面４４にて内輪２０の外球面２２と接する。外輪１０の内球面１２の曲率中心とケージ４０の外球面４２の曲率中心とは一致し、図２に符号Ｏ₄で示してある。同様に、内輪２０の外球面２２の曲率中心とケージ４０の内球面４４の曲率中心とは一致し、図２に符号Ｏ₃で示してある。なお、図面では、外輪１０の内球面１２とケージ４０の外球面４２との間、内輪２０の外球面２２とケージ４０の内球面４４との間のすきまが誇張して示してある。

外輪１０のボール溝１４は円弧部分１４ａと直線部分１４ｂとからなり、円弧部分１４ａはマウス部１６の奥側つまり反開口端側に位置し、直線部分１４ｂは開口端１８側に位置する。そして、ボール溝１４は、開口端１８側の溝底を、開口端１８に向かって直線的に拡径するテーパ角度αのテーパ状としてある。

内輪２０のボール溝２４は円弧部分１４ａと直線部分２４ｂとからなり、円弧部分２４ａは外輪１０の開口端１８側に位置し、直線部分２４ｂは反開口端側に位置する。そして、ボール溝２４は、外輪１０の奥側つまり反端面側の溝底を、反端面側に向かって直線的に拡径するテーパ角度αのテーパ状としてある。

この実施の形態では、大きな作動角θを取り得る構造とするため、図２に示すように、外輪１０のボール溝１４の曲率中心Ｏ₁は内球面１２の中心Ｏ₃に対して、内輪２０のボール溝２４の曲率中心Ｏ₂は外球面２２の中心Ｏ₄に対して、等距離Ｆだけ軸方向に逆向きにオフセットさせてある（トラックオフセット）。

同様に、ケージ４０の外球面４２の曲率中心Ｏ₃と内球面４４の曲率中心Ｏ₄は、継手中心Ｏに対して等距離ｆだけ軸方向に逆向きにオフセットさせてある（ケージオフセット）。

図３に示すように、外輪１０の回転軸Ｘと内輪２０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すなわち継手中心面Ｐ内にすべてのボール３０があれば、ボール中心から両回転軸Ｘ，Ｙまでの距離が相等しく、したがって、両回転軸Ｘ，Ｙ間で等角速度で回転運動の伝達が行われる。継手中心面Ｐと回転軸Ｘ，Ｙとの交点を継手中心Ｏと称する。固定式等速自在継手では、作動角θに関わりなく継手中心Ｏは固定されている。

対をなす外輪１０のボール溝１４と内輪２０のボール溝２４とで構成されるトラックは、外輪１０のマウス部１６の奥側から開口端１８側に向かって徐々に拡大する楔状を呈している。そして、継手が作動角θをとった状態でトルクを伝達するとき、楔状のトラックの狭い方から広い方へボール３０を押し出そうとする推力が作用する。

最大作動角をとったとき、外輪１０のマウス部１６の開口端１８から飛び出そうとするボール３０をケージ４０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。ボール３０の中心軌跡半径値すなわち、外輪１０のボール溝１４の曲率中心Ｏ₁または内輪２０のボール溝２４の曲率中心Ｏ₂とボール３０の中心Ｏ₅とを結ぶ線分の長さをＰＣＲとしたとき、ケージオフセット量ｆのＰＣＲに対する比の値ｆ／ＰＣＲが０を越え０．１２以下の範囲内となるように設定する。

継手の縦断面において、外輪１０のボール溝１４および内輪２０のボール溝２４の溝底をテーパ状とすることにより、最大作動角の高角化に加えて、外輪１０のボール溝１４におけるボール３０との接触長さを確保することができるので、外輪１０と内輪２０との間における安定したトルク伝達が達成される。また、作動角θをとった時にボール３０が最も飛び出そうとする位相（位相角φ＝０°）（図３および図４参照）のトラック荷重およびポケット荷重が低減するので、高角域において有利である。ここで、トラック荷重とは、接触するボール３０からボール溝１４，２４の壁面が受ける荷重を意味する。ポケット荷重とは、接触するボール３０からポケット４６の壁面が受ける荷重を意味する。

また、ケージ４０の外球面４２は外輪１０の内球面１２に接触案内され、ケージ４０の内球面４４は内輪２０の外球面２２に接触案内されることから、トルク伝達時にケージ４０と外輪１０または内輪２０との間で球面力（球面同士で押し合う力）が作用するが、その球面力の最大値が低減し、継手内部での発熱の抑制につながる。さらに、鍛造型が抜きやすい形状であるため冷間鍛造による加工性がよく、製造コストの低減も図れる。

外輪１０および内輪２０のボール溝１４，２４の溝底をテーパ状とすることによって、前述のトラック荷重、ポケット荷重および球面力からなる内部力に及ぼす影響およびその傾向を検証し、有限要素法（ＦＥＭ）による解析を行い、テーパ角度αの範囲を絞り込んで最適設定した。まず、テーパ角度αを大きくすることによって内部力に表１に示すような傾向が認められる。なお、表１において、ボール３０が最も飛び出そうとする位相（位相角φ＝０°）と、内部力が最大値となるボール３０の位相について検証した。また、球面力について変動幅とは、球面力の最大値と最小値との差を意味する。

表１から明らかなように、テーパ角度αを大きくすると、ポケット荷重の最大値が大きくなるが、ケージオフセット量ｆを大きくしてケージ４０の肉厚を大きくすることによって、外輪１０やケージ４０の強度を確保することができるので、問題にはならない。

次に、テーパ角度αの上限値を決定するために有限要素法（ＦＥＭ）解析を行った。テーパ角度αが大きくなれば、ボール３０が最も飛び出そうとする位相（位相角φ＝０°）では内部力（トラック荷重およびポケット荷重）が小さくなり、強度的に有利になるが、外輪１０の開口端１８の肉厚が小さくなるため、ボール溝１４に発生する応力値を継手強度に換算して傾向を確認した。その結果は図５に示すとおりである。テーパ角度α（deg）に対する継手強度の関係を示す同図から明らかなように、テーパ角度αが１２．９°で継手強度が必要強度を下回ることから、テーパ角度αの最適範囲としてその上限値を１２°として規定した。

なお、上述の実施の形態はトラックオフセットを設けた場合を例示したが、トラックオフセットを設けなくてもよい。つまり、トラックオフセットが設けてあると、外輪１０のボール溝１４のうち、マウス部１６の奥側に位置する円弧部分１４ａが奥側にゆくほど浅くなることから、作動角をとった時にボール溝１４の最奥部に位置するボール３０の乗り上げが生じる可能性がある。そこで、このトラックオフセット量を０とすることにより、外輪１０のボール溝１４のうちマウス部１６の奥側に位置する円弧部分１４ａが均一な深さとなることから、作動角をとった時に外輪１０のボール溝１４の最も奥に位置するボール３０の乗り上げを抑制することができる。

トラックオフセット量Ｆ、ケージオフセット量ｆ、テーパ角度αの各因子を変動させて内部力解析を行った結果を次に述べる。ここで、トラックオフセットについては、高角域に入っても許容負荷トルクが落ちない超高角固定式等速自在継手の特性を考慮してトラックオフセット量Ｆ＝０すなわち「トラックオフセットなし」とした。ケージオフセットについては、内部力の観点からはできるだけ小さい方がよいが、継手の機能確保のためにはある程度ケージオフセットをつけなくてはならないことから、０≦ｆ／ＰＣＲ≦０．１５０で変動させた。テーパ角度αについては、０degから１２degまでの範囲で変動させた。

ｆ＝０（ｆ／ＰＣＲ＝０）ならば、テーパ角度αが１．１deg以上のとき０deg位相のトラック荷重およびポケット荷重はゼロになる。

一方、テーパ角度α＝１２degならば、ｆ＝３．９４（ｆ／ＰＣＲ＝０．１１４）以下のとき０deg位相のトラック荷重およびポケット荷重はゼロになる。

つまり、ケージオフセット量ｆとテーパ角度αとの関係が図６の斜線領域内に設定されていれば、０deg位相のトラック荷重およびポケット荷重はゼロになる。ここで、図６は内部力解析により算出したデータに基づいて作図したもので、横軸がテーパ角度α（deg）、縦軸がｆ／ＰＣＲを表している。

これより、０deg位相に負荷される荷重を極力小さくし、より高角作動域において有利となる内部仕様は次のようになる。
トラックオフセット：なし
ケージオフセット量ｆ：０＜ｆ／ＰＣＲ≦０．１２
テーパ角度α：１deg≦α≦１２deg

また、この実施の形態では、０deg位相における荷重が低減する一方、ピークの荷重は従来の等速自在継手と比較して大きくなることから、強度を確保するため、ケージ４０の肉厚部を外輪１０の開口端１８側に向けた配置とするのが好ましい。

上記の内部仕様で寸法を設定した本発明による固定式等速自在継手（実施例）と従来の固定式等速自在継手（比較例）について０deg位相におけるトラック荷重およびポケット荷重を算出したところ、結果は図７に示すとおりであった。同図より、比較例に対して実施例が、トラック荷重とポケット荷重のいずれも８割以上減少していることが分かる。なお、このときのＥＷＳ内部力計算結果（Ｔ＝Ｔ１００（４６２．６Ｎｍ）、θ＝４６．５deg）は表２のとおりである。

本発明の実施の形態を示す固定式等速自在継手の縦断面図である。 図１の要部拡大図である。 図１の継手が最大作動角をとった状態を示す縦断面図である。 ボールを収容したケージの横断面図である。 ボール溝のテーパ角度と継手強度の関係を示す線図である。 トラックのテーパ角度とｆ／ＰＣＲとの関係を示す線図である。 基本トルク負荷時の０deg位相荷重を示す線図である。

符号の説明

１０ 外輪
１２ 内球面
１４ ボール溝
１６ マウス部
１８ 開口端
２０ 内輪
２２ 外球面
２４ ボール溝
２６ スプライン孔
３０ ボール
４０ ケージ
４２ 外球面
４４ 内球面
４６ ポケット
α テーパ角度

Claims (5)

1. 内球面に、開口端まで軸方向に延びた複数のボール溝を円周方向等間隔に形成した外側継手部材と、
   外球面に、軸方向に延びた複数のボール溝を円周方向等間隔に形成した内側継手部材と、
   対をなす外側継手部材のボール溝と内側継手部材のボール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、ボールを収容するポケットを円周方向に配設したケージとを備え、
   外側継手部材のボール溝の開口端側溝底を、前記開口端に向かって直線的に拡径したテーパ状とし、
   内側継手部材のボール溝の、外側継手部材の反開口端側溝底を、前記反開口端側に向かって直線的に拡径したテーパ状とし、
   ケージの外球面中心と内球面中心は継手中心に対して軸方向に等距離だけ反対側にオフセットさせてあり、
   外側継手部材のボール溝の曲率中心と内側継手部材のボール溝の曲率中心は継手中心に対してケージオフセット量だけオフセットさせてあることを特徴とする固定式等速自在継手。
2. 外側継手部材および内側継手部材のボール溝のテーパ角度の上限値を１２°としたことを特徴とする請求項１の固定式等速自在継手。
3. ケージの外球面中心と内球面中心とのオフセット量ｆと、外側継手部材のボール溝の曲率中心または内側継手部材のボール溝の曲率中心とボールの中心とを結ぶ線分の長さＰＣＲとの比の値ｆ／ＰＣＲが０を越え０．１２以下であることを特徴とする請求項１または２の固定式等速自在継手。
4. ケージの縦断面において、外側継手部材の開口端側を厚肉としたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの固定式等速自在継手。
5. 外側継手部材のボール溝および内側継手部材のボール溝の仕上げ成形が冷間鍛造であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの固定式等速自在継手。

Images