JP4080036B2 - 固定型等速自在継手 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、8個のトルク伝達ボールを備え、内側継手部材の嵌合部に中空状の連結軸を連結した等速自在継手に関し、特に自動車の動力伝達装置に好適である。
【0002】
【従来の技術】
等速自在継手には、大別して、2軸間の角度変位のみを許容する固定型と、角度変位および軸方向変位を許容する摺動型とがあり、それぞれ使用条件、用途等に応じて機種選択される。固定型としてはツェッパー型等速自在継手(ボールフィックスドジョイント)、摺動型としてはダブルオフセット型等速自在継手が代表的である。
【0003】
上記のような等速自在継手は、自動車の動力伝達装置用、例えば自動車のドライブシャフトやプロペラシャフトの連結用に広く用いられている。自動車のドライブシャフトやプロペラシャフトの連結には、通常、固定型と摺動型の等速自在継手が一対として用いられる。例えば、自動車のエンジンの動力を車輪に伝達する動力伝達装置は、エンジンと車輪との相対的位置関係の変化による角度変位と軸方向変位に対応する必要があるため、図5に示すように、エンジン側と車輪側との間に介装されるドライブシャフト20の一端を摺動型等速自在継手21を介してディファレンシャル22に連結し、他端を固定型等速自在継手23を介して車輪24に連結している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
等速自在継手では、車輌等の振動対策として、内側継手部材の嵌合部に連結される連結軸(図5に示す例ではドライブシャフト20)にダンパを装着したり、あるいは、上記連結軸を大径かつ中空化して、高い捩り剛性と曲げ剛性を確保すると同時に、軽量化を図る場合がある。また、ビート音や中・高速こもり音等の対策には、曲げ一次固有振動数のチューニングが効果的であることが分かっており、上述のダンパや、連結軸の大径・中空化によって対応している。しかし、ダンパの装着はコストアップにつながり、さらに、振動数のチューニングは可能であるが、連結軸の捩り剛性の向上は望めない。
【0005】
一方、中空状の連結軸としては、現在、スタブにパイプ材を溶接(又は摩擦圧接)したもの、パイプ素材の両端部をスウェージング加工等により絞り成形した一体型のものが使用されている。しかしながら、前者は製造コストが高く、また、高剛性と軽量化とを同時に達成することが設計的に困難である。後者は、一般的には前者より低コストであるが、振動対策として必要な軸剛性を確保し得るサイズのパイプ素材を用い、これを内側継手部材の嵌合部に嵌合することができる寸法まで絞るためには、絞り率δ(%)を大きくする必要があり、そのために製造コストが高くなる。
【0006】
絞り率δ(%)={(dm−ds)/dm}×100
dm:パイプ素材の外径
ds:絞り成形後の外径
一般に、ロータリースウェージングやリンクタイプスウェージング(絞り率の大きな中空軸製品に適した加工法である。)の場合、絞り率δが一工程で50%以上の絞りが可能であると言われているが、実際には、絞り率δが60%を越えると、材料コストや熱処理コスト(焼鈍等の前処理が必要になる。)が高くなり、また、加工性を過度に優先させると製品機能を満足できない可能性が有る。一方、絞り率δを低くおさえ、かつ、必要な軸剛性を確保するために、等速自在継手のサイズを必要以上に大きくしなければならない場合もあり、装着スペース、重量の増大となって、設計上不利な点が出てくる。
【0007】
本発明は、等速自在継手における連結軸の高剛性と軽量化とを同時に達成し、かつ、製造コストの低減を図ることをその目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、内径面に軸方向に延びる8本の案内溝を形成した外側継手部材と、外径面に軸方向に延びる8本の案内溝を形成し、内径面に歯型を有する嵌合部を形成した内側継手部材と、外側継手部材の案内溝とこれに対応する内側継手部材の案内溝とが協働して形成される8本のボールトラックにそれぞれ配された8個のトルク伝達ボールと、内側継手部材の嵌合部に連結される歯型を有する軸端部、及び、この軸端部に連続した中間部を有する中空状の連結軸とを備え、連結軸の中間部の外径(dm)と外側継手部材の外径(DOUTER)との比r3(=dm/DOUTER)が0.29≦r3≦1.0であり、外側継手部材の外径(DOUTER)と内側継手部材の嵌合部の歯型のピッチ円径(PCDSERR)との比r2(=DOUTER/PCDSERR)が2.5≦r2≦3.5である固定型等速自在継手を提供する。
【0010】
2.5≦r2≦3.5とした理由は次にある。すなわち、内側継手部材の嵌合部の歯型のピッチ円径(PCDSERR)は、連結軸の強度等との関係で大幅に変更することはできない。そのため、r2の値は、主に外側継手部材の外径(DOUTER )に依存することになる。r2〈2.5であると(主に外径DOUTER が小さい場合)、各部品(外側継手部材、内側継手部材等)の肉厚が薄くなりすぎて、強度の点で懸念が生じる。一方、r2〉3.5であると(主に外径DOUTER が大きい場合)、寸法的な面等から実用上の問題が生じる場合があり、また、コンパクト化という目的も達成できない。2.5≦r2≦3.5とすることにより、外側継手部材等の強度および継手の耐久性を比較品(6個ボールの等速自在継手)と同等以上に確保することができ、かつ、実用上の要請も満足できる。
【0011】
上記のような中空状の連結軸は、外径(dm)のパイプ素材の端部を絞り成形したものとすることができる。また、本発明の固定型等速自在継手は自動車の動力伝達装置に特に好適である。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。
【0013】
図1及び図2に示す第1の実施形態は、本発明を固定型等速自在継手としてのツェパー型等速自在継手(ボールフィックスドジョイント)に適用したものである。この実施形態の等速自在継手は、球面状の内径面1aに8本の曲線状の案内溝1bを軸方向に形成した外側継手部材1と、球面状の外径面2aに8本の曲線状の案内溝2bを軸方向に形成し、内径面に歯型(セレーション又はスプライン)を有する嵌合部2cを形成した内側継手部材2と、外側継手部材1の案内溝1bとこれに対応する内側継手部材2の案内溝2bとが協働して形成される8本のボールトラックにそれぞれ配された8個のトルク伝達ボール3と、トルク伝達ボール3を保持する保持器4と、内側継手部材2の嵌合部2cに連結された中空状の連結軸5とで構成される。
【0014】
この実施形態において、外側継手部材1の案内溝1bの中心O1は内径面1aの球面中心に対して、内側継手部材2の案内溝2bの中心O2は外径面2aの球面中心に対して、それぞれ、軸方向に等距離(F)だけ反対側に(中心O1は継手の開口側、中心O2は継手の奥部側に)オフセットされている。そのため、案内溝1bとこれに対応する案内溝2bとが協働して形成されるボールトラックは、継手の開口側に向かって楔状に開いた形状になる。
【0015】
保持器4の外径面4aの球面中心、および、保持器4の外径面4aの案内面となる外側継手部材1の内径面1aの球面中心は、いずれも、トルク伝達ボール3の中心O3を含む継手中心面O内にある。また、保持器4の内径面4bの球面中心、および、保持器4の内径面4bの案内面となる内側継手部材2の外径面2aの球面中心は、いずれも、継手中心面O内にある。それ故、外側継手部材1の上記オフセット量(F)は、案内溝1bの中心O1と継手中心面Oとの間の軸方向距離、内側継手部材2の上記オフセット量(F)は、案内溝2bの中心O2と継手中心面Oとの間の軸方向距離になり、両者は等しい。外側継手部材1の案内溝1bの中心O1と内側継手部材2の案内溝2bの中心O2とは、継手中心面Oに対して軸方向に等距離(F)だけ反対側(案内溝1bの中心O1は継手の開口側、案内溝2bの中心O2は継手の奥部側)にずれた位置にある。
【0016】
外側継手部材1と内側継手部材2とが角度θだけ角度変位すると、保持器4に案内されたトルク伝達ボール3は常にどの作動角θにおいても、角度θの2等分面(θ/2)内に維持され、継手の等速性が確保される。
【0017】
トルク伝達ボール3のピッチ円径(PCDBALL)と直径(DBALL)との比r1(=PCDBALL/DBALL)は3.3≦r1≦5.0の範囲内の値とすることができる。ここで、トルク伝達ボールのピッチ円径(PCDBALL)は、PCRの2倍の寸法である(PCDBALL=2×PCR)。外側継手部材1の案内溝1bの中心O1とトルク伝達ボール3の中心O3を結ぶ線分の長さ、内側継手部材2の案内溝2bの中心O2とトルク伝達ボール3の中心O3を結ぶ線分の長さが、それぞれPCRであり、両者は等しい。
【0018】
3.3≦r1≦5.0とした理由は、外側継手部材等の強度、継手の負荷容量および耐久性を比較品(6個ボールの固定型等速自在継手)と同等以上に確保するためである。すなわち、等速自在継手においては、限られたスペースの範囲で、トルク伝達ボールのピッチ円径(PCDBALL)を大幅に変更することは困難である。そのため、r1の値は主にトルク伝達ボールの直径(DBALL)に依存することになる。r1〈3.3であると(主に直径DBALLが大きい場合)、他の部品(外側継手部材、内側継手部材等)の肉厚が薄くなりすぎて、強度の点で懸念が生じる。逆にr1〉5.0であると(主に直径DBALLが小さい場合)、負荷容量が小さくなり、耐久性の点で懸念が生じる。また、トルク伝達ボールと案内溝との接触部分の面圧が上昇し(直径DBALLが小さくなると、接触部分の接触楕円が小さくなるため)、案内溝の溝肩エッジ部分の欠け等の要因になることが懸念される。
【0019】
3.3≦r1≦5.0とすることにより、外側継手部材等の強度、継手の負荷容量および耐久性を比較品(6個ボールの固定型等速自在継手)と同等以上に確保することができる。より好ましくは、3.5≦r1≦5.0の範囲、例えば、r1=3.83、又はその近傍の値に設定するのが良い。
【0020】
外側継手部材1の外径(DOUTER )と内側継手部材2の嵌合部2cの歯型(セレーション又はスプライン)のピッチ円径(PCDSERR)との比r2(=DOUTER /PCDSERR)は前述した理由から2.5≦r2≦3.5、好ましくは、2.5≦r2〈3.2の範囲内の値に設定する。
【0021】
この実施形態の等速自在継手は、トルク伝達ボール3の個数が8個であり、比較品(6個ボールの固定型等速自在継手)に比べ、継手の全負荷容量に占めるトルク伝達ボール1個当りの負荷割合が少ないので、同じ呼び形式の比較品(6個ボールの固定型等速自在継手)に対して、トルク伝達ボール3の直径(DBALL)を小さくし、外側継手部材1の肉厚および内側継手部材2の肉厚を比較品(6個ボールの固定型等速自在継手)と同程度に確保することが可能である。また、同じ呼び形式の比較品(6個ボールの固定型等速自在継手)に対して、比r2(=DOUTER /PCDSERR)を小さくして(6個ボールの固定型等速自在継手におけるr2の一般的な値はr2≧3.2である。)、比較品と同等以上の強度、負荷容量および耐久性を確保しつつ、外径寸法(DOUTER )のより一層のコンパクト化を図ることができる。また、比較品(6個ボールの固定型等速自在継手)に比べて低発熱であることが実験の結果確認されている。
【0022】
中空状の連結軸5は、内側継手部材2の嵌合部2cに連結される歯型5cを有する軸端部5a、及び、この軸端部5aに連続した中間部5bとからなる。この実施形態において、連結軸5は、外径dmのパイプ素材の両端部を絞り成形し、さらに、この絞り成形した軸端部5aの軸端側外周に歯型(スプライン又はセレーション)5cを転造加工等により成形したものである。軸端部5aの外径はds、中間部5bの外径はパイプ素材と同じdmである(ds<dm)。
【0023】
連結軸5の材質としては、STKM15A、STKM16Aなどの機械構造用炭素鋼、若しくは、それらをベースに加工性、焼入性等の改善のために合金元素を添加した合金鋼、又は、SCr、SCM、SNCMなどの浸炭鋼を用いることができる。連結軸5の材質として上記機械構造用炭素鋼若しくは合金鋼を採用した場合、熱処理として主に高周波焼入(一部浸炭、浸炭窒化素)を採用することができる。また、連結軸5の材質として上記浸炭鋼を採用した場合、熱処理として主に浸炭焼入を採用することができる。
【0024】
また、連結軸5の絞り成形方法としては、スウェージング加工、特にロータリースウェージング加工を採用することができる。ロータリースウェージング加工は、機内の主軸に組み込まれた一対または複数対のダイスとバッカーとが回転運動を行うと共に、外周ローラとバッカー上の突起により一定ストロークの上下運動を行って、挿入されるパイプ素材に打撃を加えてその一部分を絞り加工するものである。本加工方法は、加工が比較的早く、加工面が滑らかで美しく、また、他の加工方法に比べて絞り率δ(%)[={(dm−ds)/dm}×100]を大きくすることができるという特長がある。ただ、絞り率δが60%を越えると材料コストや熱処理コストが高くなるので、製造コストを抑えるためには絞り率δは60%を越えないようにするのが好ましい。
【0025】
上述したように、この実施形態の等速自在継手は、同じ呼び形式の比較品(6個ボールの固定型等速自在継手)と同等以上の強度、負荷容量および耐久性を確保しつつ比r2(=DOUTER /PCDSERR)を小さくして、外径寸法(DOUTER )のより一層のコンパクト化を図ることができる。例えば、嵌合部2cのピッチ円径(PCDSERR)を比較品と等しくした場合、外径(DOUTER )を呼び番号で2サイズダウン(約8%程度)することが可能である。逆に、外径(DOUTER )を比較品と等しくした場合、嵌合部2cのピッチ円径(PCDSERR)を5サイズ以上アップすることが可能である。
【0026】
比較品(6個ボールの固定型等速自在継手)の#71サイズを例にとると、外径(DOUTER )は65.3mm、ピッチ円径(PCDSERR)は19.05mmである。ここで、連結軸として、全長350mm、均一外径の中実軸を仮定すると、その曲げ一次固有振動数は約310Hzになる。また、中空軸をパイプ素材から絞り成形する時の加工限界を絞り率δで60%とした場合、パイプ素材の外径dmは約47.5mmが限界である。ここで、連結軸として、全長350mm、外径47.5mm、肉厚2mm、均一外径の中空軸を仮定すると、その曲げ一次固有振動数は約1056Hzになる。
【0027】
一方、この実施形態の等速自在継手において、外径(DOUTER )を比較品と同じ65.3mmにした場合、嵌合部2cのピッチ円径(PCDSERR)を26.3mmまでアップすることが可能である。したがって、中空軸をパイプ素材から絞り成形する時の加工限界を絞り率δで60%とした場合、パイプ素材の外径dmを約65.7mmにすることができる。ここで、連結軸として、全長350mm、外径65.7mm、肉厚2mm、均一外径の中空軸を仮定すると、その曲げ一次固有振動数は約1478Hzになる。このように、この実施形態の等速自在継手に中空状の連結軸5を組み合せた場合、曲げ一次固有振動数を比較品よりも高くすることが可能である。そのため、振動数選択(チューニング)の幅が広がり、最適チューニングを行うことが容易になる。連結軸の剛性(捩り剛性)については、外径19.05mmの中実軸の捩り剛性を100とした場合、
外径47.5mm、肉厚2mmの中空軸のそれは1438であるのに対し、外径65.7mm、肉厚2mmの中空軸のそれは3943である。したがって、この実施形態の等速自在継手に中空状の連結軸5を組み合せた場合、比較品に比べて高剛性の連結軸5を得ることができる。
【0028】
パイプ素材の外径dm(=中間部5bの外径dm)は、
比r3(=dm/DOUTER )が0.29≦r3≦1.0となるような範囲内で選択可能であり、比r2(=DOUTER /PCDSERR)を2.5≦r2≦3.5の範囲内で設定した場合、パイプ素材の絞り率δ(%)を0%≦δ(%)≦60%にすることができる。そのため、軸端部5bをロータリースウェージング加工等により絞り成形する際の加工コストを低く抑えることができる。尚、δ=0%は、連結軸5を絞り成形していない場合、つまり連結軸5が均一外径(ds=dm)の場合であるが、ピッチ円径(PCDSERR)のアップにより、連結軸5の外径(ds=dm)をアップすることができるので、振動数の最適チューニングが可能であり、必要とする軸剛性が得られる場合は、連結軸5を均一外径(ds=dm)の中空軸としても良い。
【0029】
図3及び図4に示す第2の実施形態は、本発明を摺動型等速自在継手としてのダブルオフセット型等速自在継手に適用したものである。この実施形態の等速自在継手は、円筒状の内径面1a’に8本の直線状の案内溝1b’を軸方向に形成した外側継手部材1’と、球面状の外径面2a’に8本の直線状の案内溝2b’を軸方向に形成し、内径面に歯型(セレーション又はスプライン)を有する嵌合部2c’を形成した内側継手部材2’と、外側継手部材1’の案内溝1b’とこれに対応する内側継手部材2’の案内溝2b’とが協働して形成される8本のボールトラックにそれぞれ配された8個のトルク伝達ボール3’と、トルク伝達ボール3’を保持する保持器4’と、内側継手部材2’の嵌合部2c’に連結された中空状の連結軸5’とで構成される。
【0030】
この実施形態において、保持器4’の外径面4b’の球面中心と内径面4a’の球面中心とは、それぞれ、保持器4’のポケット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ている。
【0031】
トルク伝達ボール3’のピッチ円径(PCDBALL)と直径(DBALL)との比r1(=PCDBALL/DBALL)は、前述した第1の実施形態の等速自在継手と同様の理由から、2.9≦r1≦4.5の範囲、好ましくは、3.1≦r1≦4.5の範囲内の値とすることができる。ここで、トルク伝達ボールのピッチ円径(PCDBALL)は、作動角0°において、180度対向したボールトラック内に位置する2つのトルク伝達ボールの中心間距離に等しい。図4におけるPCRは、ピッチ円径(PCDBALL)の1/2の寸法である(PCDBALL=2×PCR)。
【0032】
また、外側継手部材1’の外径(DOUTER )と内側継手部材2の嵌合部2c’の歯型(セレーション又はスプライン)のピッチ円径(PCDSERR)との比r2は、前述した第1の実施形態の等速自在継手と同様の理由から、
2.5≦r2≦3.5、好ましくは、2.5≦r2〈3.1の範囲内の値に設定する。
【0033】
この実施形態の等速自在継手は、第1の実施形態の等速自在継手と同様に、トルク伝達ボール3’の個数が8個であり、比較品(6個ボールの摺動型等速自在継手)に比べ、継手の全負荷容量に占めるトルク伝達ボール1個当りの負荷割合が少ないので、同じ呼び形式の比較品(6個ボールの摺動型等速自在継手)に対して、トルク伝達ボール3’の直径(DBALL)を小さくし、外側継手部材1’の肉厚および内側継手部材2’の肉厚を比較品(6個ボールの摺動型等速自在継手)と同程度に確保することが可能である。また、同じ呼び形式の比較品(6個ボールの摺動型等速自在継手)に対して、比r2(=DOUTER /PCDSERR)を小さくして(6個ボールの摺動型等速自在継手におけるr2の一般的な値はr2≧3.1である。)、比較品と同等以上の強度、負荷容量および耐久性を確保しつつ、外径寸法(DOUTER )のより一層のコンパクト化を図ることができる。また、比較品(6個ボールの摺動型等速自在継手)に比べて低発熱であることが実験の結果確認されている。
【0034】
中空状の連結軸5’は、内側継手部材2’の嵌合部2c’に連結される歯型5c’を有する軸端部5a’、及び、この軸端部5a’に連続した中間部5b’とからなる。この実施形態において、連結軸5’は、外径dmのパイプ素材の両端部を絞り成形し、さらに、この絞り成形した軸端部5a’の軸端側外周に歯型(スプライン又はセレーション)5c’を転造加工等により成形したものである。軸端部5a’の外径はds、中間部5b’の外径はパイプ素材と同じdmである(ds<dm)。
【0035】
連結軸5’の材質、絞り成形方法等は、第1の実施形態と同様にすることができる。また、中間部5b’の外径dm(パイプ素材の外径)は、
比r3(=dm/DOUTER )が0.29≦r3≦1.0となるような範囲内で選択可能であり、比r2(=DOUTER /PCDSERR)を2.5≦r2≦3.5の範囲内で設定した場合、パイプ素材の絞り率δ(%)を0%≦δ(%)≦60%にすることができる。そのため、軸端部5b’をロータリースウェージング加工等する際の加工コストを低く抑えることができる。その他、第1の実施形態と同様であるので、重複する説明を省略する。
【0036】
以上説明した第1及び第2の実施形態の構成は、例えば図5に示すような自動車の動力伝達装置に適用することができる。
【0037】
【発明の効果】
本発明は以下に示す効果を有する。
【0038】
(1)固定型等速自在継手の外径を大きくすることなく、連結軸の中空化と大径化によって、連結軸の高剛性と軽量化とを同時に達成することができ、また、パイプ素材を絞り成形する場合の絞り率を低く抑えて、製造コストを低減することができる。
【0039】
(2)軸部の固有振動数が増大することにより、振動数選択(チューニング)の選択範囲が広がるので、振動低減のための最適チューニングを行うことが容易になる。
【0040】
(3)以上により、車輌のNVH特性を向上させることができる。
【0041】
(4)連結軸をパイプ素材から絞り成形する場合、絞り率を低く抑えることができるので、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示す縦断面図(図2におけるY−Y断面)である。
【図2】本発明の第1の実施形態を示す縦断面図(図1におけるX−X断面)である。
【図3】本発明の第2の実施形態を示す縦断面図(図4におけるY−Y断面)である。
【図4】本発明の第2の実施形態を示す縦断面図(図3におけるX−X断面)である。
【図5】自動車の動力伝達装置を示す断面図である。
【符号の説明】
1、1’ 外側継手部材
1a、1a’ 内径面
1b、1b’ 案内溝
2、2’ 内側継手部材
2a、2a’ 外径面
2b、2b’ 案内溝
3、3’ トルク伝達ボール
4、4’ 保持器
5、5’ 連結軸
5a、5a’ 軸端部
5b、5b’ 中間部
Claims (3)
- 内径面に軸方向に延びる8本の案内溝を形成した外側継手部材と、外径面に軸方向に延びる8本の案内溝を形成し、内径面に歯型を有する嵌合部を形成した内側継手部材と、外側継手部材の案内溝とこれに対応する内側継手部材の案内溝とが協働して形成される8本のボールトラックにそれぞれ配された8個のトルク伝達ボールと、内側継手部材の嵌合部に連結される歯型を有する軸端部、及び、この軸端部に連続した中間部を有する中空状の連結軸とを備え、
前記連結軸の中間部の外径(dm)と前記外側継手部材の外径(DOUTER)との比r3(=dm/DOUTER)が0.29≦r3≦1.0であり、
前記外側継手部材の外径(DOUTER)と前記内側継手部材の嵌合部の歯型のピッチ円径(PCDSERR)との比r2(=DOUTER/PCDSERR)が2.5≦r2≦3.5であることを特徴とする固定型等速自在継手。 - 前記連結軸が、外径(dm)のパイプ素材の端部を絞り成形したものであることを特徴とする請求項1記載の固定型等速自在継手。
- 自動車の動力伝達装置に用いられる請求項1又は2記載の固定型等速自在継手。
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