JP2007270997A - 固定式等速自在継手 - Google Patents

Abstract

【課題】 外輪のトラック溝および内輪のトラック溝でのボールの乗り上げを抑制すると共にケージの強度を確保する。
【解決手段】 内球面２１に複数のトラック溝２２を形成した外輪２５と、外球面２６に複数のトラック溝２７を形成した内輪２８と、外輪２５と内輪２８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と内輪２８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の奥側溝底をテーパ状とし、外輪２５および内輪２８のトラック溝２２，２７の曲率中心Ｏ_１，Ｏ_２を継手の中心軸Ｌ上から径方向にオフセットさせ、外輪２５または内輪２８のトラック溝２２，２７の曲率中心Ｏ_１，Ｏ_２とボール中心Ｏ_５との距離ＰＣＲを、径方向オフセットなしにおける外輪および内輪のトラック溝の曲率中心とボール中心との距離よりも大きく設定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は固定式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式の等速自在継手に関する。

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。

一般的に、固定式等速自在継手は、図１０に示すように内球面１に複数のトラック溝２を円周方向等間隔に軸方向に沿って形成した外側継手部材としての外輪５と、外球面６に外輪５のトラック溝２と対をなす複数のトラック溝７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しての内輪８と、外輪５のトラック溝２と内輪８のトラック溝７との間に介在してトルクを伝達する複数のボール９と、外輪５の内球面１と内輪８の外球面６との間に介在してボール９を保持するケージ１０とを備えている。

前述した高角化のニーズに対する固定式等速自在継手は、大きな作動角を取り得る構造とするため、図１０に示すようにケージ１０の内球面１１の曲率中心Ｏ_３と、外球面１２の曲率中心Ｏ_４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）。このように、ケージオフセットを設けることにより、ケージ１０は、外輪２５の開口側に向けて厚肉で、かつ、その奥側に向けて薄肉となる形状を有する。

また、外輪５のトラック溝２の曲率中心Ｏ_１および内輪８のトラック溝７の曲率中心Ｏ_２は、外輪５の内球面１の曲率中心Ｏ_４および内輪８の外球面６の曲率中心Ｏ_３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）。このように、トラックオフセットを設けることにより、外輪５のトラック溝２および内輪８のトラック溝７のそれぞれは、外輪５の開口側で深く、かつ、その奥側で浅くなっている。これら一対のトラック溝２，７により、外輪５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。

なお、図１０において、Ｃ_１は外輪５のトラック溝２を軸方向に移動するボール９の中心軌跡を示し，Ｃ_２は内輪８のトラック溝７を軸方向に移動するボール９の中心軌跡を示す。

内輪８の外球面６の曲率中心Ｏ_３はケージ１０の内球面１１の曲率中心と一致し、外輪５の内球面１の曲率中心Ｏ_４はケージ１０の外球面１２の曲率中心と一致している。また、外輪５のトラック溝２の曲率中心Ｏ_１および内輪８のトラック溝７の曲率中心Ｏ_２、内輪８の外球面６の曲率中心（ケージ１０の内球面１１の曲率中心）Ｏ_３および外輪５の内球面１の曲率中心（ケージ１０の外球面１２の曲率中心）Ｏ_４は、図１０に示す作動角０°時における継手の中心軸Ｌ上にある。

この固定式等速自在継手では、さらに高角化を図るため、外輪５のトラック溝２の開口側溝底を、その外輪５の開口側に向けて直線的に拡径したテーパ状にすると共に、内輪８のトラック溝７の奥側溝底を、その内輪８の奥側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

図１１は、この固定式等速自在継手が最大作動角θをとった状態を示す。このような高作動角時、外輪５のトラック溝２の最も奥側に位置する位相（位相角φ＝１８０°）にあるボール９は、外輪５のトラック溝２の浅い部分に位置することになる。この時、外輪５のトラック溝２が浅い継手において回転トルクが負荷されると、ボール９がトラック溝２から逸脱して外輪５の内球面１に乗り上げる可能性がある。従って、このボール９の乗り上げを抑制するためには、外輪５のトラック溝２の奥側部分を深くすることが望ましい。

この固定式等速自在継手では、外輪５のトラック溝２の曲率中心Ｏ_１を作動角０°時における継手の軸線Ｌ上に配置していることから、その外輪５のトラック溝２の奥側部分を深くするためには、外輪５の内球面径を小さくする方法が一般的である。

しかしながら、外輪５の内球面径のみを小さくすると、図１２に示すようにケージ１０の奥側部分の肉厚が小さくなり、ケージ１０の強度が著しく低下してしまうという問題がある。このケージ１０の奥側部分の肉厚を確保するため、外輪５の内球面径および内輪８の外球面径の両方を小さくすると、図１３に示すように内輪８のトラック溝７の奥側部分が浅くなり、内輪８のトラック溝７が浅い継手において回転トルクが負荷されると、ボール９がトラック溝７から逸脱して内輪８の外球面６に乗り上げ易くなるという問題が発生する。

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、外輪のトラック溝および内輪のトラック溝でのボールの乗り上げを抑制すると共にケージの強度を確保し得る高角化の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、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、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、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れ、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にすると共にその反開口端側を薄肉にし、外側継手部材のトラック溝の開口端側溝底を、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、内側継手部材のトラック溝の反開口端側溝底を、その反開口端側に向けて直線的に拡径したテーパ状とし、外側継手部材および内側継手部材のトラック溝の曲率中心を継手の中心軸上から径方向にオフセットさせ、外側継手部材または内側継手部材のトラック溝の曲率中心とボール中心との距離を、径方向オフセットなしにおける外側継手部材または内側継手部材のトラック溝の曲率中心とボール中心との距離よりも大きく設定したことを特徴とする。

ここで、径方向オフセットなしにおける外側継手部材または内側継手部材のトラック溝の曲率中心は、継手の中心軸上に位置する。

本発明では、外側継手部材および内側継手部材のトラック溝の曲率中心を継手の中心軸上から径方向にオフセットさせ、外側継手部材または内側継手部材のトラック溝の曲率中心とボール中心との距離を、径方向オフセットなしにおける外側継手部材または内側継手部材のトラック溝の曲率中心とボール中心との距離よりも大きく設定したことにより、外側継手部材の内球面径および内側継手部材の外球面径を変更しないため、ケージの肉厚を小さくすることなく、外側継手部材のトラック溝の深さを確保することができる。その結果、ケージの強度を確保すると共に外側継手部材のトラック溝からのボールの乗り上げを抑制することができる。

前述した構成におけるケージは、その外球面の開口側端部を軸方向に向けて延在させ、ケージの内球面の開口側端部を外球面の開口側端部に向けて拡径するテーパ状とした構造が望ましい。ここで、ケージの外球面の開口側端部を軸方向に向けて延在させる場合、等速自在継手が最大作動角をとった状態で、内側継手部材に取り付けられたシャフトがケージの開口側端部と干渉しない程度にその外球面の開口側端部を延在させる。

シャフトがケージの開口側端部と干渉しない程度までケージの外球面の開口側端部を延在させる場合、ケージの内球面の開口側端部のテーパ角度を、外側継手部材と内側継手部材がなす最大作動角の半分以上とすることが望ましい。このようにテーパ角度を最大作動角の半分以上とすれば、高角域においてもケージの外球面と外側継手部材の内球面との接触面積を確保することができる点で好ましい。なお、このテーパ角度が最大作動角の半分よりも小さければ、シャフトがケージのテーパ状開口側端部と干渉することになる。

このように高角域においてもケージの外球面と外側継手部材の内球面との接触面積を確保することができることにより、最大作動角をとった時に、ボールがケージを開口側へ押し、そのケージの外球面の開口側端部と外側継手部材の内球面が強く擦れ合っても発熱による耐久性の低下や伝達トルクの損失を最小限に抑えることができる。また、ケージの剛性を最大限に確保することができるので、ケージ自体の強度も向上する。

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、この固定式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中心との距離ＰＣＲとの比の値ｆ／ＰＣＲが０．１２以下であることが望ましい。この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、この点を考慮してケージオフセット量ｆを設定することが望ましい。

例えば、ケージオフセット量ｆを大きく設定することにより、外側継手部材の開口側にケージの厚肉側を位置させるようにすれば、外側継手部材の開口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利点を有する。また、外側継手部材の開口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部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中心との距離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、作動角０°時における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中心との距離ＰＣＲとの比ｆ／ＰＣＲを０より大きく、かつ、０．１２以下とすることが望ましい。

この比ｆ／ＰＣＲが０．１２より大きいと前述の強度面での問題がある。逆に、０以下である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、ケージオフセット量ｆが０の場合、トラックオフセット量も０のため、オフセットが０となり、くさび角＝０でボール（ケージ）位置が定まらず、作動性が著しく悪化することから、０以下の範囲では、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より大きく、かつ、０．１２以下であることが、ケージオフセット量ｆの最適範囲である。

なお、本発明は、ボール数が６個あるいは８個である固定式等速自在継手に適用可能であるが、ボール数が８個の固定式等速自在継手に適用すれば、固定式等速自在継手のコンパクト化が図れる点で有効である。

本発明によれば、外側継手部材および内側継手部材のトラック溝の曲率中心を継手の中心軸上から径方向にオフセットさせ、外側継手部材および内側継手部材のトラック溝の曲率中心とボール中心との距離を、径方向オフセットなしにおける外側継手部材および内側継手部材のトラック溝の曲率中心とボール中心との距離よりも大きく設定したことにより、外側継手部材の内球面径および内側継手部材の外球面径を変更しないため、ケージの肉厚を小さくすることなく、外側継手部材のトラック溝の深さを確保することができる。

従って、ケージの強度を確保すると共に外側継手部材のトラック溝からのボールの乗り上げを抑制することができることから、継手の強度を確保することができると共に継手の耐久性の向上が図れる。その結果、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乗車空間拡大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。

本発明に係る固定式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形成したマウス部２４を有する外側継手部材としての外輪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としての内輪２８と、外輪２５のトラック溝２２と内輪２８のトラック溝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。ボール２９の数、換言すれば、トラック溝２２，２７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。特に、ボール２９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。

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）に例えば従動軸（図示せず）が連設され、内輪２８に駆動軸（図示せず）がセレーション等で結合されることにより、それら従動軸と駆動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の開口側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の奥側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は作動角が０°の状態、図４は作動角が最大作動角θの状態を示している。作動角とは、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。

図２および図３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の拡大断面を示す。図２に示す実施形態の等速自在継手ではトラックオフセット量をＦ_１とし、図３に示す他の実施形態の等速自在継手ではトラックオフセット量をＦ_２とし、両者の等速自在継手ではトラックオフセット量を異ならせている（Ｆ_１≠Ｆ_２）。なお、このトラックオフセット量は任意である。

この継手では、大きな作動角θを取り得る構造とするため、図２および図３に示すように、外輪２５のトラック溝２２の曲率中心Ｏ_１は内球面２１の中心Ｏ_４に対して、内輪２８のトラック溝２７の曲率中心Ｏ_２は外球面２６の中心Ｏ_３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いる（トラックオフセット）。このように、トラックオフセットを設けることにより、外輪２５のトラック溝２２および内輪２８のトラック溝２７のそれぞれは、外輪２５の開口側で深く、かつ、その奥側で浅くなる。これら一対のトラック溝２２，２７により、外輪２５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、ケージ３０の外球面３２の曲率中心Ｏ_４と内球面３１の曲率中心Ｏ_３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いる（ケージオフセット）。このように、ケージオフセットを設けることにより、ケージ３０は、外輪２５の開口側に向けて厚肉で、かつ、その奥側に向けて薄肉となる形状を有する。

ケージ３０の外球面３２は外輪２５の内球面２１と接し、その内球面３１は内輪２８の外球面２６と接している。外輪２５の内球面２１の曲率中心とケージ３０の外球面３２の曲率中心とは一致し、図２および図３に符号Ｏ_４で示している。同様に、内輪２８の外球面２６の曲率中心とケージ３０の内球面３１の曲率中心とは一致し、図２および図３に符号Ｏ_３で示している。

この実施形態では、外輪２５のトラック溝２２の曲率中心Ｏ_１および内輪２８のトラック溝２７の曲率中心Ｏ_２を継手の中心軸Ｌ上から径方向にオフセットさせている（ラジアルオフセット）。このラジアルオフセット量を図中ｇで示す。このラジアルオフセットでは、外輪２５のトラック溝２２または内輪２８のトラック溝２７の曲率中心Ｏ_１，Ｏ_２とボール中心Ｏ_５との距離ＰＣＲ（図２および図３参照）を、径方向オフセットなしにおける従来の外輪５のトラック溝２または内輪８のトラック溝７の曲率中心Ｏ_１，Ｏ_２とボール中心Ｏ_５との距離ＰＣＲ_０（図１０参照）よりも大きく設定する（ＰＣＲ＞ＰＣＲ_０）。なお、径方向オフセットなしにおける従来の外輪５のトラック溝２および内輪８のトラック溝７の曲率中心Ｏ_１，Ｏ_２は、作動角０°における継手の中心軸Ｌ上に位置する（図１０参照）。

ここで、図２において、Ａ_１は外輪２５のトラック溝２２を軸方向に移動するボール２９の中心軌跡を示し，Ａ_２は内輪２８のトラック溝２７を軸方向に移動するボール２９の中心軌跡を示す。同様に、図３において、Ｂ_１は外輪２５のトラック溝２２を軸方向に移動するボール２９の中心軌跡を示し，Ｂ_２は内輪２８のトラック溝２７を軸方向に移動するボール２９の中心軌跡を示す。

このように、外輪２５のトラック溝２２の曲率中心Ｏ_１および内輪２８のトラック溝２７の曲率中心Ｏ_２を継手の中心軸Ｌ上から径方向にオフセットさせ、外輪２５のトラック溝２２または内輪２８のトラック溝２７の曲率中心Ｏ_１，Ｏ_２とボール中心Ｏ_５との距離ＰＣＲを、径方向オフセットなしにおける従来の外輪５のトラック溝２または内輪８のトラック溝７の曲率中心Ｏ_１，Ｏ_２とボール中心Ｏ_５との距離ＰＣＲ_０よりも大きく設定したことにより、外輪２５の内球面径および内輪２８の外球面径を変更しないため、ケージ３０の奥側部分の肉厚を小さくすることなく、外輪２５のトラック溝２２の深さを確保することができる。その結果、ケージ３０の強度を確保すると共に外輪２５のトラック溝２２からのボール２９の乗り上げを抑制することができる。

図６は、（ａ）に実施形態のケージ３０を示し、このケージ３０と比較するため、（ｂ）に従来のケージ１０（図１０参照）を示す。この実施形態のケージ３０は、従来品よりも、その外球面３２の開口側端部を軸方向に向けて延在させ、内球面３１の開口側端部を外球面３２の開口側端部に向けて拡径するテーパ面３４を形成している。このケージ３０の開口側端部では、図４に示すように外輪２５と内輪２８が最大作動角θをとった状態で、内輪２８にセレーション嵌合で取り付けられたシャフト３５がケージ３０の開口側端部と干渉しない程度にその外球面３２の開口側端部を延在させる。

シャフト３５がケージ３０の開口側端部と干渉しない程度までケージ３０の外球面３２の開口側端部を延在させる場合、ケージ３０の内球面３１の開口側端部に位置するテーパ面３４のテーパ角度θ／２を、外輪２５と内輪２８がなす最大作動角θの半分以上とすることが望ましい。このようにテーパ面３４のテーパ角度θ／２を最大作動角θの半分以上とすれば、高角域においてもケージ３０の外球面３２と外輪２５の内球面２１との接触面積を確保することができる。なお、このテーパ角度θ／２が最大作動角θの半分よりも小さければ、シャフト３５がケージ３０の開口側端部と干渉することになる。

このように高角域においてもケージ３０の外球面３２と外輪２５の内球面２１との接触面積を確保することができることにより、最大作動角θをとった時に、ボール２９がケージ３０を開口側へ押し、そのケージ３０の外球面３２の開口側端部と外輪２５の内球面２１が強く擦れ合っても発熱による耐久性の低下や伝達トルクの損失を最小限に抑えることができる。また、ケージ３０の剛性を最大限に確保することができるので、ケージ３０自体の強度も向上する。

図４に示すように外輪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方向の力を受ける。外輪２５と内輪２８が最大作動角θをとったとき、外輪２５のマウス部２４の開口端部からボール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ｆと、ボール２９の中心軌跡半径値、すなわち、作動角０°時における外輪２５のトラック溝２２の曲率中心Ｏ_１または内輪２８のトラック溝２７の曲率中心Ｏ_２とボール２９の中心Ｏ_５との距離ＰＣＲとの比の値、ｆ／ＰＣＲが０より大きく、かつ、０．１２以下となるように設定する。

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４および図５参照）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（図１〜図３参照）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、表１のとおりである。なお、表１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（図４および図５参照）。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の開口端部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７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、そのトラックオフセットを設けずにトラックオフセット量Ｆを０にしてもよい。つまり、トラックオフセットを設けていると、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、外輪２５のトラック溝２２の曲率中心Ｏ_１をその内球面２１の曲率中心Ｏ_４に一致させ、かつ、内輪２８のトラック溝２７の曲率中心Ｏ_２をその外球面２６の曲率中心Ｏ_３に一致させてトラックオフセット量Ｆ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。

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、０°から１２°までの範囲で変動させた。

ケージオフセット量ｆ＝０（ｆ／ＰＣＲ＝０）ならば、テーパ角度αが１．１°以上のとき、ボール２９が最も飛び出そうとする位相（０°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＝１２°ならば、ケージオフセット量ｆ＝３．９４（ｆ／ＰＣＲ＝０．１１４）以下のとき、ボール２９が最も飛び出そうとする位相（０°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８の斜線領域内に設定されていれば、ボール２９が最も飛び出そうとする位相（０°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８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、ボール２９が最も飛び出そうとする位相（０°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：１°≦α≦１２°

また、この実施の形態では、ボール２９が最も飛び出そうとする位相（０°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３０の肉厚部を外輪２５の開口端側に向けた配置とするのが好ましい。

前述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、最大作動角時のボール２９が最も飛び出そうとする位相（０°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９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。

本発明に係る固定式等速自在継手の実施形態を示す断面図である。 本発明の実施形態において、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。 本発明の他の実施形態において、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。 （ａ）は図１の等速自在継手におけるケージを示す断面図、（ｂ）は従来の等速自在継手におけるケージ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。 トラック溝のテーパ角度とｆ／ＰＣＲとの関係を示す特性図である。 最大作動角時における基本トルク負荷時の０°位相荷重を示す特性図である。 固定式等速自在継手の従来例を示す断面図である。 図１０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。 図１０の等速自在継手において、外輪の内球面径のみを小さくした場合を説明するための要部拡大断面図である。 図１０の等速自在継手において、外輪の内球面径および内輪の外球面径を小さくした場合を説明するための要部拡大断面図である。

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
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
３４ テーパ面
ｆ ケージオフセット量
Ｆ_１，Ｆ_２ トラックオフセット量
Ｏ_１ 外側継手部材（外輪）のトラック溝の曲率中心
Ｏ_２ 内側継手部材（内輪）のトラック溝の曲率中心
Ｏ_３ ケージの内球面中心
Ｏ_４ ケージの外球面中心
Ｏ_５ ボールの中心
α トラック溝のテーパ角度
θ／２ ケージの内球面の開口側端部のテーパ角度

Claims (6)

1. 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れ、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にすると共にその反開口端側を薄肉にし、
   前記外側継手部材のトラック溝の開口端側溝底を、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反開口端側溝底を、その反開口端側に向けて直線的に拡径したテーパ状とし、
   前記外側継手部材および内側継手部材のトラック溝の曲率中心を継手の中心軸上から径方向にオフセットさせ、前記外側継手部材または内側継手部材のトラック溝の曲率中心とボール中心との距離を、前記径方向オフセットなしにおける外側継手部材または内側継手部材のトラック溝の曲率中心とボール中心との距離よりも大きく設定したことを特徴とする固定式等速自在継手。
2. 前記ケージの外球面の開口側端部を軸方向に向けて延在させ、ケージの内球面の開口側端部を外球面の開口側端部に向けて拡径するテーパ状とした請求項１に記載の固定式等速自在継手。
3. 前記ケージの内球面の開口側端部のテーパ角度を、外側継手部材と内側継手部材がなす最大作動角の半分以上とした請求項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の両トラック溝のテーパ角度の上限値を１２°とした請求項１〜３のいずれか一項に記載の固定式等速自在継手。
5. 前記ケージの外球面中心と内球面中心とのケージオフセット量ｆと、作動角０°時における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中心との距離ＰＣＲとの比の値ｆ／ＰＣＲが０より大きく、かつ、０．１２以下である請求項１〜４のいずれか一項に記載の固定式等速自在継手。
6. 前記ボールの個数を８個とした請求項１〜５のいずれか一項に記載の固定式等速自在継手。

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