JP2006266329A

JP2006266329A - 固定型等速自在継手

Info

Publication number: JP2006266329A
Application number: JP2005082324A
Authority: JP
Inventors: Manabu Hoshino; 学星野; Akira Nakagawa; 亮中川; Hiroshi Tone; 宏登根
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2006-10-05
Also published as: CN100526667C; CN1837632A

Abstract

【課題】外輪および内輪の両トラック溝のテーパ角度を規定することで継手強度および加工性を低下させることなく、作動角を高角化を容易に実現する。
【解決手段】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に向けて形成した外輪２５と、外球面２６に外輪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輪２８と、外輪２５と内輪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、外輪２５の内球面２１と内輪２８の外球面２６との間に介在してボール２９を保持するケージ３０とを備え、外輪２５のトラック溝２２の開口側溝底を、開口端２３に向けて直線的に拡径したテーパ状にすると共に、内輪２８のトラック溝２７の奥側溝底を、その奥端に向けて直線的に拡径したテーパ状とした固定型等速自在継手であって、外輪２５および内輪２８の両トラック溝２２，２７のテーパ角度を０〜１２°とする。
【選択図】図１

Description

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。

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、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。

一般的に、固定型等速自在継手は、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ている。

前述した高角化のニーズに対する固定型等速自在継手としては、外側継手部材のトラック溝の開口側溝底を、前記開口端に向けて直線的に拡径したテーパ状にすると共に、前記内側継手部材のトラック溝の奥側溝底を、その奥端に向けて直線的に拡径したテーパ状とすることにより、高角域の作動を実現している（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

ところで、従来、高角化を図った固定型等速自在継手においては、外側継手部材および内側継手部材の両トラック溝のテーパ角度を規定することについて特別に考慮することがなかったというのが現状である。

前述した各特許文献１〜３に開示された固定型等速自在継手では、外側継手部材および内側継手部材の両トラック溝をテーパ形状にすることで作動角の高角化を容易にしているが、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においてトラック溝のテーパをより一層付加させてい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。

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、外側継手部材および内側継手部材の両トラック溝のテーパ角度を規定することで等速自在継手の強度および加工性を低下させることなく、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。

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、前記外側継手部材のトラック溝の開口側溝底を、前記開口端に向けて直線的に拡径したテーパ状にすると共に、前記内側継手部材のトラック溝の奥側溝底を、その奥端に向けて直線的に拡径したテーパ状とした固定型等速自在継手であって、前記外側継手部材および内側継手部材の両トラック溝のテーパ角度の上限値を１２°としたことを特徴とする。

本発明では、外側継手部材および内側継手部材の両トラック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、この固定型等速自在継手の内部諸元の中で、トラック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、前述のトラック溝のテーパ角度の最適値としてその上限値を１２°に規定した。

本出願人は、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、静的内部力解析、有限要素法（ＦＥＭ）解析を用いて検討を進め、トラック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。

前述の構成において、ケージの外球面中心と内球面中心とが、前記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が、外側継手部材の開口端からのボールの飛び出しをケージのポケットで拘束できるように大きく設定されていることが望ましい。

ここで、ケージオフセット量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。

ただし、ケージオフセット量が大きすぎると、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。

以上より、ケージオフセット量が過大であるのは好ましくなく、ケージオフセット量を設ける意義と前述の強度面で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また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。

そこで、前述の構成におけるケージオフセット量は、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また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が０．０１８〜０．１５０の範囲内となるように設定することが望ましい。

この比ｆ／ＰＣＲが０．１５０より大きいと前述の強度面での問題がある。逆に、０．０１８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の外側継手部材入口側の接触点がケージのポケットからはみ出すことを防ぐのが目的で０．０１８より小さい範囲では、その目的が達成できない。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０．０１８〜０．１５０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。

また、前述の構成において、ケージの外球面中心と内球面中心とが、前記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、前記外側継手部材のトラック溝の曲率中心と、前記内側継手部材のトラック溝の曲率中心面に対してケージオフセット量分だけ反対側にオフセットされてトラックオフセット量が０であることが望ましい。

外側継手部材の内球面の曲率中心とそのトラック溝の曲率中心との間にオフセットがあり、同様に、内側継手部材の外球面の曲率中心とそのトラック溝の曲率中心との間にオフセットがあると、外側継手部材の奥側に向けてトラック溝が浅くなることから、作動角をとった時にトラック溝の最奥部に位置するボール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、外側継手部材の奥側でトラック溝が浅くなることがなくなるので、作動角をとった時にトラック溝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。

さらに、前述の構成において、外側継手部材および内側継手部材の両トラック溝は、冷間鍛造により仕上げ成形されていることが望ましい。

このように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、外側継手部材および内側継手部材の両トラック溝のテーパ角度の上限値を１２°の最適範囲に規定したことにより、等速自在継手の強度および加工性を低下させることなく、作動角の高角化を容易に実現することができ、近年における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要望に対して、車両回転半径が大きくならないように前輪の操舵角の増大を容易に図ることができる。

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。

図１に示す実施形態の等速自在継手は、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である外輪２５と、外球面２６に外輪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である内輪２８と、外輪２５と内輪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、外輪２５の内球面２１と内輪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。

前述の外輪２５のマウス部２４から一体的に延びるステム部（図示せず）に例えば従動側の回転軸（図示せず）が連設され、内輪２８に駆動側の回転軸（図示せず）がセレーション等で結合されることにより、両回転軸間で作動角度変位を許容しながらトルク伝達が可能な構造となっている。

外輪２５の各トラック溝２２は、その開口側溝底を外輪２５の開口端に向けて直線的に拡径させたテーパ状としている。つまり、トラック溝２２は、マウス部２４の奥側での円弧底２２ａと、マウス部２４の開口側でのテーパ底２２ｂとを有する。一方、内輪２８の各トラック溝２７は、その奥側溝底を内輪２８の奥端に向けて直線的に拡径させたテーパ状としている。つまり、トラック溝２７は、マウス部２４の開口側での円弧底２７ａと、マウス部２４の奥側でのテーパ底２７ｂとを有する。

ここで、図１は作動角θが０°の状態、図３は作動角θが最大角の状態を示している。作動角θとは、外輪２５の回転軸Ｘと内輪２８の回転軸Ｙとがなす角度を意味する。また、外輪２５の回転軸Ｘと内輪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継手中心面Ｐと称する。作動角θをとったとき、すべてのボール２９が継手中心面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。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。固定型等速自在継手では、作動角θに関わりなく継手中心Ｏは固定されている。

図２は、外輪２５および内輪２８のそれぞれのトラック溝２２，２７の形状、トラックオフセットおよびケージオフセットを説明するため、図１の拡大断面（ハッチングは省略）を示す。

この実施形態の等速自在継手では、大きな作動角を取り得る構造とするため、外輪２５のトラック溝２２の曲率中心Ｏ₁と、内輪２８のトラック溝２７の曲率中心Ｏ₂とは、ボール中心を含む継手中心面Ｐ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）。同様に、ケージ３０の内球面３１の曲率中心Ｏ₃と、外球面３２の曲率中心Ｏ₄とは、継手中心面Ｐ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（ケージオフセット）。内輪２８の外球面２６の曲率中心と、外輪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。

このようにして、一対のトラック溝２２，２７により、外輪の奥側から開口端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。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、外輪２５と内輪２８が作動角θをとった状態でトルクを伝達するとき、楔状のボール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。

外輪２５と内輪２８が最大作動角θmaxをとったとき、外輪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、外輪２５のトラック溝２２の曲率中心Ｏ₁または内輪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＝０．０１８〜０．１５０とする。

このように、外輪２５および内輪２８の両トラック溝２２，２７をテーパ状とすれば、最大作動角の高角化と共に、外輪２５のトラック溝２２におけるボール２９との接触長さを確保することができるので、外輪２５と内輪２８との間で安定したトルク伝達を確保することができる。また、作動角をとった時にボール２９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を低減することができるので、外輪２５と内輪２８の高角域での作動において有利である。ここで、トラック荷重とポケット荷重とは、接触するボール２９からトラック溝２２，２７またはポケット３３が受ける荷重を意味する。また、ケージ３０の外球面３２は外輪２５の内球面２１に接触案内され、ケージ３０の内球面３１は内輪２８の外球面２６に接触案内され、トルク伝達時にケージ３０と外輪２５または内輪２８との間で球面力が作用するが、その球面力の最大値を低減することができ、継手内部での発熱を抑制できる。さらに、鍛造型が抜き易いことから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。

本出願人は、外輪２５および内輪２８の両トラック溝２２，２７をテーパ状とすることにより、前述したトラック荷重、ポケット荷重および球面力からなる内部力の影響および傾向を検証し、有限要素法（ＦＥＭ）解析を実施することで、トラック溝２２，２７のテーパ角度αの範囲を絞り込んで最適設定した。

まず、トラック溝２２，２７のテーパ角度αを大きくすることによる内部力（トラック荷重、ポケット荷重および球面力）の傾向は、下表のとおりである。なお、下表において、ボール２９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２９の位相、つまり、ボール２９が最も奥に入る位相（位相角φ＝１８０°付近）について検証した。また、球面力の変動幅とは、球面力の最大値と最小値との差を意味する。

上表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、ボール２９が最も奥に入る位相（位相角φ＝１８０°付近）で外輪２５の肉厚を大きく、また、ケージオフセット量を大きくしてケージの肉厚を大きくすることにより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）解析を実施した。テーパ角度αが大きくなれば、ボール２９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２５の開口端でありその肉厚が小さくなるため、トラック溝２２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。同図に示す特性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、前述の実施形態では、トラックオフセットを設けた場合について例示したが、本発明はこれに限定されず、トラックオフセットをケージオフセットに一致させてそのトラックオフセット量を０としてもよい。つまり、トラックオフセット量が０でないと、外輪２５の奥側に位置する円弧底２２ａがその奥側に向けて浅くなることから、作動角をとった時にトラック溝２２の最奥部に位置するボール２９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２５の奥側に位置する円弧底２２ａが奥側に向けて浅くなることがなく均一な深さとなることから、作動角をとった時にトラック溝２２の最奥部に位置するボール２９の乗り上げを抑制することができる。

本発明に係る固定型等速自在継手の実施形態を示す断面図である。図１の等速自在継手において、ケージオフセットおよびトラックオフセット等の内部諸元を説明するための図である。図１の等速自在継手において、外輪に対して内輪が最大作動角をとった状態を示す断面図である。ケージに収容されたボールの位相を示す断面図である。トラック溝のテーパ角度に対する継手強度の関係を示す特性図である。

符号の説明

２１外側継手部材（外輪）の内球面
２２外側継手部材（外輪）のトラック溝
２３開口端
２５外側継手部材（外輪）
２６内側継手部材（内輪）の外球面
２７内側継手部材（内輪）のトラック溝
２８内側継手部材（内輪）
２９ボール
３０ケージ
３１ケージの内球面
３２ケージの外球面
３３ポケット
ｆケージオフセット量
Ｆトラックオフセット量
Ｏ₁ 外側継手部材（外輪）のトラック溝の曲率中心
Ｏ₂ 内側継手部材（内輪）のトラック溝の曲率中心
Ｏ₃ ケージの内球面中心
Ｏ₄ ケージの外球面中心
α テーパ角度

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、前記外側継手部材のトラック溝の開口側溝底を、前記開口端に向けて直線的に拡径したテーパ状にすると共に、前記内側継手部材のトラック溝の奥側溝底を、その奥端に向けて直線的に拡径したテーパ状とした固定型等速自在継手であって、
前記外側継手部材および内側継手部材の両トラック溝のテーパ角度の上限値を１２°と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、前記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が、外側継手部材の開口端からのボールの飛び出しをケージのポケットで拘束できるように大きく設定されている請求項１に記載の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、前記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結ぶ線分の長さＰＣＲとの比ｆ／ＰＣＲが０．０１８〜０．１５０の範囲内である請求項１又は２に記載の固定型等速自在継手。
前記ケージの外球面中心と内球面中心とが、前記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、前記外側継手部材のトラック溝の曲率中心と、前記内側継手部材のトラック溝の曲率中心とが、ボール中心を含む継手中心面に対してケージオフセット量分だけ反対側にオフセットされてトラックオフセット量が０である請求項１又は２に記載の固定型等速自在継手。
前記外側継手部材および内側継手部材の両トラック溝は、冷間鍛造により仕上げ成形されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の固定型等速自在継手。