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JP5132876B2 - 複合型等速自在継手 - Google Patents

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Description

本発明は等速自在継手を２個分一体化し車両のドライブアクスルに主として使用される複合型等速自在継手であって、特に、ラフテレーンクレーン車や農業用トラクターなど大きな操舵角が必要なドライブアクスルの等速自在継手用途として好適な複合型等速自在継手に関する。
従来、農業用トラクターなど、大きな操舵角を必要とするドライブアクスルでは、デフ出力軸と車輪とを、等速型ダブルカルダン継手で連結することが多い。ダブルカルダン継手は軸長が長く外径が大きいが、５０°を越える交角も可能である。この等速型ダブルカルダン継手は、通常、アクスルハウジング内に充填されたグリースで潤滑される。一方、ラフテレーンクレーン車などオンロード走行に対応した大型車両のドライブアクスルでは、構造を簡素化するため、蛇腹ブーツ付きツェッパ型ないしボールフィックス型等速自在継手（以下、「ＢＪ」ないし「ＢＪ型」と略称することがある）を一個使用したものがある（特許文献１参照）。ＢＪ型は、球面状の内径面に曲線状のトラック溝を軸方向に形成した外輪と、球面状の外径面に曲線状のトラック溝を軸方向に形成した内輪と、外輪のトラック溝とこれに対応する内輪のトラック溝とが協働して形成するボールトラックに配された複数のトルク伝達用ボールと、それらのボールを保持するポケットを備えた保持器とで構成される。
このＢＪ型等速自在継手をドライブシャフトに使用する場合、外輪の一端から軸方向に一体的に延びる軸部（従動軸）を車輪軸受装置に連結すると共に、内輪の軸孔にスプライン嵌合されたシャフト（駆動軸）を摺動型等速自在継手に連結する。外輪の軸部と内輪側のシャフトの二軸間で外輪と内輪とが角度変位すると、保持器のポケット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。ここで、作動角とは、外輪の軸部と内輪のシャフトとがなす角度を意味する。
ところで、ラフテレーンクレーン車などの大型車両のドライブアクスルは、ＢＪ型等速自在継手に大きな駆動トルクが作用しないよう、車輪ハブの内側部分に遊星歯車機構などの減速機による所謂ハブリダクションを備える。
特開平４−３５８９７０号公報（図１）
蛇腹ブーツ付きＢＪを備えたドライブアクスルでは、車輪の転舵時に３０°を越える大きな角度を許容しなければならない。このため、ブーツの軸方向長さや外径が通常のものより大きい。ハブリダクションを有するラフテレーンクレーン車の場合、車両の直進高速走行時の回転数が１３００ｒｐｍを越える。この高速回転とＢＪの大きな外径との相乗作用でブーツが膨張・変形するという問題がある。そこで、蛇腹ブーツの形状や硬度アップを中心とした材質の改良が行われているが、ブーツの変形を十分抑制するまでには至っていない。要求されるＢＪサイズおよび回転数の大きさの関係で、蛇腹ブーツの形状や材質の改良だけではその変形の問題を解決できないケースが増加しつつある。
また、ＢＪ一個使いのドライブアクスルの場合、最大転舵時のＢＪ作動角が大きくなった状態で急発進などによる過大トルクが作用すると、ボール案内溝の浅い部分で損傷が発生するおそれがある。すなわち、ＢＪ作動角が大きくなるとボールがボール案内溝の奥側まで移動するが、このボール案内溝の奥側は溝深さが浅くなっている。このため、ボール案内溝におけるボールの接触楕円がボール案内溝の縁部チャンファのエッジに乗り上がる。この状態で過大トルクに伴なう大きな荷重がボールに作用すると、ボール案内溝付近の内輪外球面が盛り上がり変形する。内輪外球面が変形すると継手の作動性を損ねたり、ボール案内溝のチャンファエッジが欠けることもある。このような損傷を防止するためにはＢＪ外径サイズを大きくせざるを得ない。
さらに、ＢＪ一個使いのドライブアクスルの場合、車輪の転舵旋回中心であるキングビンセンタとＢＪの角度屈曲中心（外輪軸部と内輪側シャフトの二軸の交差点）を一致させなければならないという構造上の制約もある。
本発明は、高速回転時のブーツの変形を抑制でき、ＢＪ外径サイズを大きくすることなく５０°を越える作動角を可能にし、しかもキングピンセンタとの厳密な位置合わせが不要な等速自在継手を提供することを目的とする。
前記課題を解決するため、本発明は、球面状の内周面に、軸方向に延び、軸方向両端面に開口した複数の案内溝を形成した円筒状の外輪と、球面状の外周面に軸方向に延びる複数の案内溝を形成した内輪と、外輪の案内溝と内輪の案内溝とが協働して形成する複数のボールトラックに１個ずつ配されたトルク伝達用のボールと、前記ボールを保持する保持器とを備えた等速自在継手を二個有し、別体に製作した二つの前記外輪同士を、アダプタフランジを挟んで背面合わせで同軸で一体化すると共に、前記一体化した外輪の開口側外周面と前記内輪に連結したシャフトとの間を金属環付きブーツで覆い、前記内輪の案内溝の曲率中心が前記外輪の案内溝の曲率中心よりも一体化した外輪の開口側にオフセットさせることにより、前記複数のボールトラックが、前記一体化した外輪の開口側に向けて、前記外輪の案内溝と前記内輪の案内溝との半径方向間隔を狭めた楔状をなしたものである。
本発明に係る複合型等速自在継手は、従来の蛇腹ブーツに代えて金属環付きブーツ（ダイヤフラムタイプ）を使用するので、高速回転時のブーツの変形の問題を解消することができる。具体的には、ＢＪ内輪に連結されるシャフトの基準軸径が２インチの場合、従来の蛇腹ブーツであれば作動角０°での最大回転数は約１３００ｒｐｍであったが、金属環付きブーツを使用した本発明のＢＪでは、約２０００ｒｐｍ以上でもブーツの変形は問題にならない。
また、本発明の複合型等速自在継手はＢＪを二個有するため、複合型等速自在継手全体としてはＢＪ一個分の許容作動角の二倍を実現できる。具体的には、軸方向にコンパクトなディスク型ＢＪを２個ボルトで締結することで、一個当りの作動角を１８°以下にすることができる。これにより、従来であれば車輪最大転舵時にボールの接触楕円の一部が内輪ボール案内溝チャンファに乗り上がるような作動角でも、ＢＪ外径をサイズアップすることになく、負荷トルクによる案内溝チャンファの変形を防止することができる。
本発明は前述の如く、等速自在継手の２個分を一体化することにより、等速自在継手１個分の作動角ないし交角の限界が例えば３５°の場合はその倍の７０°の交角を複合型等速自在継手全体として実現可能にする。これにより、等速自在継手を１個使用する場合に比べて最大転舵時の作動角がほぼ二分の一になり、ボール案内溝の接触楕円乗り上げによる案内溝の変形防止が有利になり、等速自在継手の小径コンパクト化を図ることができる。
また、金属環付きブーツを採用することにより高速回転でのブーツの変形を抑制することができ、ハブリダクションを搭載したラフテレーンクレーン車のドライブアクスル用として好適な複合型等速自在継手とすることができる。
等速自在継手を２個使用することで、車輪の転舵中心であるキングピンセンタと、継手の折れ曲げ中心とを厳密に位置合わせしなくてもよいため、ドライブアクスルの設計の自由度が高まる。
等速自在継手としてディスク型を使用し、かつ、金属環付きブーツを使用することで、軸方向に短いコンパクトな継手とすることができる。
以下、本発明の実施の形態を図１〜図５に基づき説明する。図１と図２は本発明の複合型等速自在継手の第１実施形態を示すもので、図１は作動角０°、図２は作動角３２°の状態を示す。この複合型等速自在継手は、トルク伝達部材としてボール４を使用する通常の固定型等速自在継手の同一仕様のものを、２個一体化した構造である。一方の継手にデフ側シャフト３が連結され、他方の継手に車輪側シャフト１０が連結される。車輪側シャフト１０の先端は、ハブリダクションのサンギアに連結される。車輪側シャフト１０にはスリンガ９が取付けられる。このスリンガ９の外径面に、ハブリダクションの遊星歯車の潤滑油漏れを防止するためのオイルシールのリップ部が接触する。
以下、便宜的に片側ハーフの等速自在継手を主に参照しつつ説明する。この複合型等速自在継手の片側ハーフは、図２に示すように、内径球面１ａに６本の曲線状の案内溝１ｂを軸方向に形成した円筒状の外輪１と、外径球面２ａに６本の曲線状の案内溝２ｂを軸方向に形成し、スプライン（またはセレーション）孔２ｃを有する内輪２と、スプライン孔２ｃに一端が嵌合されたシャフト３と、外輪１の案内溝１ｂと内輪２の案内溝２ｂとが協働して形成する６本のボールトラックに１個ずつ配されたトルク伝達用ボール４と、ボール４を保持する保持器５と、外輪１の開口側外周面とシャフト３（１０）の外周面との間に配設されるブーツ８で構成される。なお、案内溝１ｂ、２ｂの数はここでは６とするが、７、８、９、１０、…と増やす場合もある。
前記外輪１は、等速自在継手２個分の外輪１を一体化した構造である。すなわち、２つの外輪１同士を、その開口側（シャフト３、１０側）を外側にした背面合わせ状態で同軸で一体化してある。左右の外輪１の内部は互いに繋がっている。ここで「一体化」とは、別体として製作した二つの外輪１を連結一体化する場合（第１実施形態）と、共通の素材で完全一体に成形する場合（参考例）の両方を含む。第１実施形態は２つの外輪１をその間にアダプタフランジ１１を挟んで一体化する。アダプタフランジ１１の幅方向中央は、複合型等速自在継手をドライブアクスルに使用した場合、キングピンの旋回中心に略一致する。
アダプタフランジ１１は中心貫通穴１１ａを有する円板状部材であって、その周辺部に外輪外径に合わせた位置決め用円筒部１１ｂ、１１ｂが左右に突出形成される。円筒部１１ｂの内側部分であって円周方向複数箇所にボルト挿通穴１１ｃが形成される。外輪周辺部はボール案内溝１ｂの部分で薄肉となっているが、この薄肉部を避けて、すなわち案内溝相互間の複数箇所に円周方向等間隔にボルト挿通穴１１ｃが形成される。ボルト挿通穴１１ｃ同士を位置合わせしてボルト１２が挿入され、このボルト１２の先端にナット１３が螺合される。１４、１５はばね座である。
外輪１の外周面は外輪１の軸線を中心とする円筒面１１ｄである。この円筒面１１ｄの開口側にブーツ８の金属環１６が嵌合される。金属環１６は円周方向等間隔にボルト挿通口１６ａを有し、ボルト１２による２つの外輪１、１とアダプタフランジ１１の連結の際にボルト１２により外輪１側面に共締めされる。金属環１６は外輪１外周面に嵌合する大径部１６ｂ、外輪１側面に当接するフランジ部１６ｃおよび外輪１から離れる方向に突出する小径部１６ｄを有する。フランジ部１６ｃと外輪１側面との間に、継手内部に封入した油脂の漏洩を防止するための液体パッキンが介在する。金属環１６の小径部１６ｄにディスク状ブーツ８の大径端８ａが加硫一体化される。ディスク状ブーツの小径端８ｂは、シャフト３（１０）の外周面に成形される環状凹部３ａ（１０ａ）に嵌合される。小径端８ｂの外周面にバンド１７が固定される。ディスク状ブーツ８はＵ字状断面を成し、大径端８ａと小径端８ｂが半径方向に対向した構造である。
シャフト３の先端は、内輪２のスプライン孔２ｃに嵌合され、かつ、環状溝３ｃ、３ｂに嵌合した角サークリップ１９と丸サークリップ２４によって内輪２との相対移動が規制される。シャフト３（１０）の先端面には、シャフト３（１０）の旋盤加工時の芯出し用としてセンタ穴３ｄ（１０ｄ）が形成される。
左右の等速自在継手は、単独構造では従来公知のツェッパ型、ボールフィックス型ないしダブルオフセット型と呼ばれるもので、図１のように、作動角０°において、外輪１と内輪２の二つの案内溝１ｂ，２ｂの半径Ｒ1、Ｒ2の中心Ｏ1、Ｏ2は、外輪１の内径球面１ａと内輪２の外径球面２ａの共通の中心Ｏ（継手の中心）に対して、それぞれ、軸方向反対側に等距離ｆだけオフセットされる。これにより、案内溝１ｂと、これに対応する案内溝２ｂとが協働して形成するボールトラックは、一体化した外輪の開口側に向かって閉じた楔状となる。
保持器５は円環状部材で構成され、その外周面は外輪１の内径球面１ａと摺接する外径球面５ａとされるとともに、内周面は内輪２の外径球面２ａと摺接する内径球面５ｂとされる。保持器５の周壁に、ボール４と同数の窓６が研削やミーリング等で貫通形成される。窓６の形状は例えば矩形であって、保持器５の円周方向に等間隔で形成される。
本発明に係る複合型等速自在継手は以上のように構成され、外輪１と内輪２が図１の作動角０°の状態では、ボール４が、外輪１の案内溝１ｂと内輪２の案内溝２ｂの曲率中心Ｏ１、Ｏ２のオフセットによる効果で、継手中心Ｏを含み回転軸線に垂直な平面内に保持され、この状態でトルク伝達が行なわれる。
次に、複合型等速自在継手の両側において、外輪１と内輪２が限界作動角θまで折曲げられた状態では、複合型等速自在継手全体としては２θの作動角を実現する。各継手のトルク伝達ボール４は保持器５によって角度θを二等分する平面内に配向せしめられ、これによって各継手の等速性が確保される。
複合型等速自在継手をドライブアクスルに使用した場合、アダプタフランジの幅方向中央は、前述のようにキングピンの旋回中心に略位置する。しかし、本発明の継手は２つのＢＪ型を２個連結した複合型等速自在継手であるから、ＢＪを１個だけ使用した従来の継手のようにキングピンの旋回中心との位置合わせを厳密にする必要がない。
図３は参考例を示すもので、外輪１'を一体型にして前述のアダプタフランジ１１を省略したものである。ブーツ８の金属環１６は六角穴付きボルト２０で外輪１'側面に固定する。その他は第１実施形態と同様であるので、図１および図２と対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。なお、この参考例の一方のＢＪが仮に３２°の作動角をとると、図４のようになる。この状態では継手奥側のボール４が案内溝１ｂの奥側の浅い部分に移動して案内溝１ｂが変形しやすい不利な状況が生まれる。
次に、内輪２の案内溝２ｂにおけるボール接触点での面圧について説明する。図５は接触楕円２１とボール接触点面圧曲線Ｐballとの関係をやや誇張して示したものである。ボール接触点面圧の合力がＰで示される。図５の力関係は前述した第１実施形態および参考例で共通である。ボール４をそのままにして、作動角０°時の内輪２の外径球面２ａを実線で示し、従来のＢＪ１個使いの継手の作動角３２°時の外径球面２ａを破線で示す。図４の継手奥側のボール４と案内溝１ｂとの関係がこの破線で示される。
本発明の継手の作動角３２°時の外径球面２ａを一転鎖線で示す。従来の継手であれば作動角３２°をとった場合、ボール４の接触楕円２１の肩部が案内溝２ｂのチャンファ２２に乗り上げる。このため、過大トルクに伴なう大きな荷重がボール４に作用し、ボール案内溝２ｂ付近の内輪外径球面２ａがエッジロード２３により盛り上がり変形する。このように内輪外径球面２ａが変形すると継手の作動性を損ねたり、ボール案内溝２ｂのチャンファ２２エッジが欠けることもある。本発明の複合型等速自在継手によれば、ＢＪ２個使いのため、各ＢＪの作動角は複合型等速自在継手全体としての作動角の半分で済む。したがって、同じ作動角３２°時でも内輪２の外径球面２ａは一転鎖線で示す位置にあって案内溝２ｂの深さに余裕がある。このため、エッジロードがほとんど発生せず、内輪外径球面２ａの盛り上がり変形を抑制することができる。
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、特許請求の範囲に記載した技術的思想に基づき種々の変形が可能である。
本発明の複合型等速自在継手は、ラフテレーンクレーン車や農業用トラクターのドライブアクスルに限らず、高作動角が必要な各種車両のドライブアクスルや産業用機械にも同様に適用可能である。
作動角０°の状態の本発明の第１実施形態に係る複合型等速自在継手の縦断面図。 同継手が最大作動角に近づいた状態の縦断面図。 作動角０°の状態の参考例に係る複合型等速自在継手の縦断面図。 片方の継手が３２°の作動角をとった場合の縦断面図。 内輪の案内溝における面圧を示す断面図。
符号の説明
１ 外輪
１ａ 内径球面
１ｂ，２ｂ 案内溝
２ 内輪
２ａ 外径球面
２ｃ スプライン孔
３、１０ シャフト
３ａ 環状凹部
３ｂ、３ｃ 環状溝
３ｄ センタ穴
４ ボール
５ 保持器
５ａ 外径球面
５ｂ 内径球面
６ 窓
８ 金属環付きブーツ
８ａ 大径端
８ｂ 小径端
９ スリンガ
１１ アダプタフランジ
１１ａ 中心貫通穴
１１ｂ 円筒部
１１ｃ ボルト挿通穴
１１ｄ 円筒面
１２ ボルト
１３ ナット
１６ 金属環
１６ａ ボルト挿通口
１６ｂ 大径部
１６ｃ フランジ部
１６ｄ 小径部
１７ バンド
１９ 角サークリップ
２０ ボルト
２１ 接触楕円
２２ チャンファ
２３ エッジロード
２４ 丸サークリップ

Claims (1)

  1. 球面状の内周面に、軸方向に延び、軸方向両端面に開口した複数の案内溝を形成した円筒状の外輪と、球面状の外周面に軸方向に延びる複数の案内溝を形成した内輪と、外輪の案内溝と内輪の案内溝とが協働して形成する複数のボールトラックに１個ずつ配されたトルク伝達用のボールと、前記ボールを保持する保持器とを備えた等速自在継手を二個有し、別体に製作した二つの前記外輪同士を、アダプタフランジを挟んで背面合わせで同軸で一体化すると共に、前記一体化した外輪の開口側外周面と前記内輪に連結したシャフトとの間を金属環付きブーツで覆い、前記内輪の案内溝の曲率中心を、前記外輪の案内溝の曲率中心よりも、前記一体化した外輪の開口側にオフセットさせることにより、前記複数のボールトラックが、前記一体化した外輪の開口側に向けて、前記外輪の案内溝と前記内輪の案内溝との半径方向間隔を狭めた楔状をなした複合型等速自在継手。
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