JP2008051273A - 固定式等速自在継手およびその外輪の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固定式等速自在継手の高作動角時の外輪強度を高める。
【解決手段】固定式等速自在継手は、球面状内周面18の円周方向の複数位置に軸方向に延びるボール溝20を形成した外輪10と、球面状外周面32の円周方向の複数位置に軸方向に延びるボール溝34を形成した内輪30と、外輪10のボール溝20と内輪30のボール溝34との間に介在させたボール40と、外輪10の球面状内周面18と内輪30の球面状外周面32との間に介在してすべてのボール40を同一平面内に保持するケージ50とを具備し、外輪10のボール溝20が、奥側の円弧部分20aと、大端面側に位置する軸線と平行な直線部分20bとからなり、直線部分20bの延長線とシャフト面取りテーパ面22との交点P₀が大端面16より内側にあり、交点P₀を含み溝底から大端面16にかけての部分を、焼入れ後除去してある。
【選択図】図１

Description

この発明は固定式等速自在継手、より詳しくはアンダーカットフリータイプの固定式等速自在継手に関する。固定式等速自在継手は連結した駆動側と従動側の二軸間で角度変位のみを許容するタイプの等速自在継手であって、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。

図５および図６に示すように、固定式等速自在継手は、外輪１０のボール溝２０と、内輪３０のボール溝３４との間にボール４０を組み込み、ケージ５０によってすべてのボール４０を同一平面内に保持し、作動角θをとったときボール４０を二等分面Ｐに配向せしめることで等速性を維持するようになっている。図６はアンダーカットフリータイプを示しており、外輪１０のボール溝２０の溝底が円弧部分２０ａと直線部分２０ｂとからなり、内輪１０のボール溝３４の溝底が円弧部分３４ａと直線部分３４ｂとからなっている。

固定式等速自在継手においては、図７に示すように、外輪１０の開口端における内径Ｄ_１がケージ５０の外径Ｄ_２より小さいため、外輪１０内に内輪３０およびケージ５０を組み込んだ後、内輪３０およびケージ５０を傾け、ケージ５０のポケット５６の１つを外輪１０の開口端から外側に臨ませた状態で、そのポケット５６内にボール４０を組み込む必要がある。なお、外輪１０に対する内輪３０およびケージ５０の組込みは、まず、図８に示すように、内輪３０とケージ５０を９０°傾け、その状態でケージ５０内に内輪３０を挿入した後、ケージ５０の軸心と内輪３０の軸心とが一致する方向に両部品を相対的に９０°回転させてケージ５０内に内輪３０を組み込む。次に、図９に示すように、ケージ付き内輪３０と外輪１０とを相対的に９０°傾け、外輪１０内にケージ付き内輪３０を挿入した後、外輪１０と内輪３０の軸心が一致する方向に両部品を９０°傾けて外輪１０内にケージ付き内輪３０を組み込む。

ここで、固定式等速自在継手においては、作動角θをとって外輪１０と内輪３０との間でトルクを伝達するとき（図６参照）、ボール４０はポケット５６内においてケージ５０の円周方向に移動する。そのボール４０の移動量は作動角θに比例して大きくなる。外輪１０に対するケージ５０の傾き角度は、図７に示すようなボール４０の組込み時に最大となり（このときの角度をボール組入れ角と呼ぶ。）、この時のボール４０の移動量を基準としてポケット５６の周方向の長さを決定する必要がある。そのため、ボール組入れ角が大きくなるほど、隣り合ったポケット５６間の柱部５８の幅（円周方向寸法）が小さくなり、ケージ５０の球面状外周面５２および球面状内周面５４の面積も小さくなるという関係にある。
特開平１１−１０１２５６号公報

自動車等に使用される等速自在継手は、例えば前輪駆動車の駆動軸に使用される場合、デフ側にスライド式等速自在継手を配置し、車輪側に固定式等速自在継手を配置して、両者をシャフトで連結している。固定式等速自在継手はハンドルのステアリングの動きと連動し、車輪と同じ動きをするため、高作動角で作動する必要がある。このように固定式等速自在継手は高作動角で回転、トルクを伝達するため、十分な剛性と強度および耐久性が要求される。したがって、固定式等速自在継手の外輪１０、内輪３０、ボール４０、ケージ５０は浸炭、高周波等の熱処理により硬化して使用される。通常、高角作動時の固定式等速自在継手の最も弱い部品はケージ５０である。ケージ５０は高角になるにつれて外輪１０の球面状内周面１８、内輪３０の球面状外周面３２からオーバーハングする部分が増加し（図６参照）、さらにボール４０の軸力が増加するため、ケージ５０は高角になると急激に強度が低下する。

また、近時、車両の燃費向上が望まれているが、その対策として車両の軽量化が最も有力な手段であり、等速自在継手も軽量・コンパクト化が強く望まれている。固定式等速自在継手の軽量・コンパクト化にあたっては、高角作動時の最弱部品であるケージ５０の高強度化が必須である。この対策として、材料の高強度化や、熱処理による高強度化等が提案されているが、いずれもコストの増加を伴うという問題がある。ケージ５０の肉厚を増せば強度はアップするものの、外輪１０および内輪３０のボール溝深さが減少することになるため、許容負荷トルクが低下し、耐久性が著しく低下するという不合理を起こす。また、ケージ５０の破断が起きやすい部位はボール４０の入るポケット５６とポケット５６の間の柱部５８である。それゆえ、柱部５８の幅を増加させれば強度は向上する。このためには、ボール径を小さくする、ボールのＰＣＤを大きくすることなどが考えられるが、前者は継手の耐久性を低下させ、後者は継手外径が大きくなるなど、いずれも好ましくない。

図１０は従来の固定式等速自在継手における外輪１０のボール溝２０の入口部分を示す。ボール溝２０の入口部は、最大作動角θをとった時にシャフト３８により規定されるテーパ面２２で切られており（図６参照）、大端面１６の位置は、ボール溝切り口断面を含むテーパ面２２の外にあった。しかし、ボール４０のＰＣＤを小さくするなどしてコンパクト化を実現しようとするとき、特に多数個（７個以上）のボールを有する場合には、ケージ５０の柱部５８の幅を確保する必要性から、ボール４０の組込みのためのボール組入れ角αを従来より小さく設定しなければならない。ところが、図１１に示すように、ボール組入れ角αを小さくすると（α₁ ＞α₂ ）、テーパ面２２のトラック溝切り口断面の途中の位置に大端面１６を設定しなければならなくなる。つまり、外輪１０の大端面１６が従来よりも後退することになる（Ａ₁ ＞Ａ₂ ）。これは、このようなコンパクト化を狙った外輪形状のものは、従来のものに比べて、高作動角時の外輪強度が落ちてしまうことを意味する。

また、高作動角時に繰り返しのトルク負荷を受けると外輪のボール溝の開口部溝底から亀裂が進展し、破損する。この発明の目的は、この破損強度を向上させ、さらなる小型化を可能にすることである。

この発明の固定式等速自在継手は、球面状内周面の円周方向の複数位置に軸方向に延びるボール溝を形成した外輪と、球面状外周面の円周方向の複数位置に軸方向に延びるボール溝を形成した内輪と、外輪のボール溝と内輪のボール溝との間に介在させたボールと、外輪の球面状内周面と内輪の球面状外周面との間に介在してすべてのボールを同一平面内に保持するケージとを具備し、外輪のボール溝が、奥側の円弧部分と、大端面側に位置する軸線と平行な直線部分とからなり、前記直線部部分の溝底の延長線とシャフト面取りテーパ面との交点が大端面より内側にあり、前記交点を含み溝底から大端面にかけての部分を、焼入れ後除去したことを特徴とするものである。

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、前記交点より内側の位置のボール溝の溝底から大端面にかけて全周にわたり同じ断面形状で除去したことを特徴とするものである。

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の外輪を製造する方法であって、前記交点を含むボール溝の溝底から大端面にかけての部分を、焼入れ後除去する工程を特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項３の固定式等速自在継手の製造方法において、外輪の球面状内周面と前記除去部を同じ工程で旋削することを特徴とするものである。

この発明によれば、焼入れ後の面粗さが改善され、面上の凹部が除去され、繰り返しトルク負荷による強度が向上する。また、焼入れ後の除去加工（旋削または研削）により、除去面に圧縮残留応力が付与され、繰り返しトルク負荷による強度が向上する。したがって、この発明によれば、固定式等速自在継手の外輪の強度が向上し、コンパクト化が図れる。
また、ボールの組込み時の内輪の傾き角度が小さくなり、ケージの窓長さが小さくてすむので、ケージの強度向上になる。
さらに、除去部を外輪の球面状内周面と前記除去部を同じ旋削工程で加工することにより、低コストで実施できる。

以下、図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。まず、固定式等速自在継手の基本的構成に関しては従来の技術と変わりがないので、再度、図６に従って述べると、固定式等速自在継手は、外側継手部材としての外輪１０と、内側継手部材としての内輪３０と、トルク伝達要素としてのボール４０と、ボールを保持するためのケージ５０とを主要な構成要素としている。

ここでは外輪１０はステム部１２とマウス部１４とからなる場合が例示してあり、ステム部１２にて連結すべき２軸のうちの一方と結合するようになっている。マウス部１４は一端にて開口したベル型で、符号１６で指した端面を大端面と呼ぶこととする。マウス部１４の内部は、球面状内周面１８の円周方向に等間隔に、外輪１０の軸方向に延びるボール溝２０が形成してある。ボール溝２０の溝底の縦断面形状は、外輪１０の軸線Ｘ上に曲率中心Ｏｏをもった円弧部分２０ａと、大端面１６側の、軸線Ｘと平行な直線部分２０ｂとからなっている。直線部分２０ｂが存在することによってボール溝２０にはアンダーカットがなく、この意味でこの種の等速自在継手はアンダーカットフリージョイント（ＵＪ）と呼ばれる。ボール溝１８の外端は大端面１６に開口している。ボール溝２０の入口部は、最大作動角θをとった時にシャフト３８により規定されるテーパ面２２で切られている。

内輪３０は、連結すべき２軸のうちの他方すなわちここではシャフト３８とスプライン結合するためのスプライン孔３６をもっている。内輪３０の球面状外周面３２には、円周方向に等間隔に、外輪１０のボール溝２０と同数の、内輪３０の軸方向に延びるボール溝３４が形成してある。ボール溝３４の溝底の縦断面形状は、内輪３０の軸線Ｙ上に曲率中心Ｏｉをもった円弧部分３４ａと、外輪１０の大端面１６とは反対側の、内輪３０の軸線Ｙと平行な直線部分３４ｂとからなっている。

外輪１０のボール溝１８と内輪３０のボール溝３４とは対をなし、各対のボール溝２０，３４間にボール４０が組み込まれて外輪１０と内輪３０との間でトルクを伝達する。ボール溝２０，３４の横断面形状がゴシックアーチ状で、ボール４０とアンギュラコンタクトをなす場合を図５（ｃ）に例示してある。

図５（ａ）に示されているように、外輪１０のボール溝２０の曲率中心Ｏｏと内輪３０のボール溝３４の曲率中心Ｏｉは、ジョイント中心Ｏ（外輪の球面状内周面、内輪の球面状外周面の曲率中心でもある。）から互いに反対方向に軸方向に等距離オフセットしている。したがって、各対のボール溝２０，３４で構成されるボールトラックは、軸方向の一方から他方へ向かって徐々に広がったくさび状を呈する。図６のように継手が作動角θをとった状態でトルク伝達を行うと、くさび状のボールトラックの狭い方から広い方へ向けてボール４０を移動させようとする軸力がボール４０に作用する。この軸力によってボール４０は作動角θの二等分線に垂直な平面Ｐ（図６参照）に配向せしめられ、継手の等速性が確保される。

ケージ５０は外輪１０と内輪３０との間に介在し、すべてのボール４０を常に同一平面に保持する役割を果たす。ケージ５０は、外輪１０の球面状内周面２２と球面接触する球面状外周面５２と、内輪３０の球面状外周面３２と接する球面状内周面５４を備えている。ケージ５０の円周方向に等間隔に、ボール４０を収容するためのポケット５６が形成してある。ケージ５０の軸方向におけるポケット５６の寸法は、通常、ボール４０に対して適度の締めしろを与える程度としてある。ポケット５６の周方向長さは、図７に関連して既に述べたように、外輪１０とケージ５０とを相対的に傾斜させ、ポケット５６を外輪１０の開口端から外部に臨ませるボール組込み時のボールの周方向の移動量を考慮してそのボール４０が干渉しない程度の長さとされる。このポケット５６の周方向長さと取り合いの関係にあるのが、隣り合ったポケット５６間の柱部５８の幅である。

次に、本発明の実施の形態について述べると、図１および図２に示すように、外輪１０のシャフト面取りテーパ面２２と、ボール溝２０の溝底の直線部分２０ｂの延長線との交点Ｐ_０が大端面１６より内側にある開口形状をもち、交点Ｐ_０を含み大端面１６から深さＡの範囲を焼入れ後除去してある。なお、ボール４０の数は特に限定されるべきものではないが、図１（ｂ）には８個の場合が例示してある。

除去後のボール溝２０の溝底の端部はＰ_１となり、Ｐ_０より奥側になるので、図３に示すように、ボール４０を入れ込むためのケージ５０の傾き角αは小さくなる。そのために、図４に示すケージ５０のポケット５６の周方向長さＬを小さくでき、ポケット５６とポケット５６の間の柱５８の幅を大きくできるので、ケージ５０が強化される。ケージ５０の柱５８の断面積を他特性の低下を伴うことなく増加させるためには、ポケット５６の周方向長さＬを減少させることが必要である。その周方向長さＬは、等速自在継手の組立上の要請により定まる。すなわち、外輪１０、内輪３０、ケージ５０、ボール４０を組み立てる際、最後のボール４０を組み入れる時に大きな作動角（ボール組入れ角α）が必要となるが、これを許容するために十分な周方向長さが必要である。等速自在継手が作動角θを取るとそれぞれのボール４０の位置はポケット５６に対して円周方向に進んだり遅れたりする。ボール組入れ角αが大きくなるほどボール４０の円周方向移動量は増加する。最後のボール４０を組み込む時、このボール４０の両隣のボール４０の位置がポケット５６に対して円周方向に最大の移動をし、ボール４０とポケット５６の柱５８との干渉が生じる。したがって、最後のボール４０を組み込むためのボール組入れ角αを低下させることができれば両隣のボール４０と柱５８との干渉が生じなくなり、ポケット５６の周方向長さＬを縮小でき、その結果、柱５８の断面積が増加する。

外輪は、鍛造、旋削、転造、熱処理、研削及び旋削の工程を経て製造される。図２（ｂ）および図３（ｂ）は図２（ａ）および図３（ａ）と同じ断面に、ハッチングで熱処理部を表示したものである。図１（ａ）に符号Ｂで示してある外輪１０の球面状内周面１８と符号Ａで示してある除去部２４を、焼入れ後、同じ工程で（同じチャック状態で同じバイトで）切削することで、安価に実施できる。

上記の構成から成る等速自在継手の組立ては、図７〜図９に従って既に述べた従来の場合と同様であるため、説明を省略する。

なお、本発明はボール数が６の場合のほかボール数が７以上の場合にも適用でき、ボール数が多くなるほどその効果は顕著なものとなる。

（ａ）は実施の形態を示す外輪の縦断面図、（ｂ）は端面図 （ａ）は図１（ａ）の部分拡大図、（ｂ）は熱処理部を示す図 （ａ）はボール組込み過程を示す外輪とケージの縦断面図、（ｂ）は熱処理部を示す図 ケージの平面図 （ａ）は固定式等速自在継手の縦断面図、（ｂ）は横断面図、（ｃ）は図５（ｂ）の部分拡大図 最大作動角時のアンダーカットフリータイプの固定式等速自在継手の縦断面図 ボール組込み過程を示す縦断面図 内輪とケージの組込み過程を示す縦断面図 ケージ付き内輪を外輪に組み込む過程を示す縦断面図 （ａ）は外輪大端面の部分端面図、（ｂ）は縦断面図である。 （ａ）は外輪大端面の部分端面図、（ｂ）は縦断面図である。

符号の説明

１０ 外輪
１２ ステム部
１４ マウス部
１６ 大端面
１８ 球面状内周面
２０ ボール溝
２０ａ 円弧部分
Ｏ_Ａ 曲率中心
２０ｂ 直線部分
２２ テーパ面
２４ 除去部
３０ 内輪
３２ 球面状外周面
３４ ボール溝
３４ａ 円弧部分
Ｏ_Ｂ 曲率中心
３４ｂ 直線部分
３６ スプライン孔
３８ シャフト
４０ ボール
５０ ケージ
５２ 球面状外周面
５４ 球面状内周面
５６ ポケット
５８ 柱部
Ｏ ジョイント中心
Ｐ 二等分面
α ボール組入れ角
θ 作動角

Claims (4)

1. 球面状内周面の円周方向の複数位置に軸方向に延びるボール溝を形成した外輪と、球面状外周面の円周方向の複数位置に軸方向に延びるボール溝を形成した内輪と、外輪のボール溝と内輪のボール溝との間に介在させたボールと、外輪の球面状内周面と内輪の球面状外周面との間に介在してすべてのボールを同一平面内に保持するケージとを具備し、
   外輪のボール溝が、奥側の円弧部分と、大端面側に位置する軸線と平行な直線部分とからなり、前記直線部部分の延長線とシャフト面取りテーパ面との交点が大端面より内側にあり、前記交点を含み溝底から大端面にかけての部分を、焼入れ後除去した固定式等速自在継手。
2. 前記交点より内側の位置のボール溝の溝底から大端面にかけて全周にわたり同じ断面形状で除去した請求項１の固定式等速自在継手。
3. 請求項１または２の固定式等速自在継手の外輪を製造する方法であって、前記交点を含み溝底から大端面にかかる部分を、焼入れ後除去する工程を含む固定式等速自在継手の外輪の製造方法。
4. 外輪の球面状内周面と前記除去部を同じ工程で旋削する請求項３の固定式等速自在継手の製造方法。

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