JP4515377B2 - 固定型等速自在継手 - Google Patents

Description

本発明は、自動車や各種産業機械の動力伝達用に利用される高折曲角が可能な固定型等速自在継手に関する。

自動車のドライブシャフトのアクスル連結部や、ステアリングシャフトのシャフト折曲げ連結部には、固定型等速自在継手が一般に使用される。この固定型等速自在継手として、従来、ゼッパ型等速自在継手やアンダーカットフリー型（以下ＵＪ型という）等速自在継手が知られている。ゼッパ型等速自在継手は、外輪と内輪の各案内溝のボール中心軌跡が、継手軸線上で継手中心から両方向にそれぞれ等距離離れた点を中心とする半径の等しい円弧である。すなわち、ボール中心軌跡は継手中心から軸方向両側に等距離だけ離れた点を中心とする一対の等大球の子午線となっている（特許文献１参照）。また、外輪の内径球面の中心と、内輪の外径球面の中心は、それぞれ継手の中心に一致している。

これに対してＵＪ型等速自在継手は、ゼッパ型等速自在継手の最大折曲角よりも高作動角とするために発明されたもので、外輪の案内溝のボール中心軌跡が、上記ゼッパ型の子午線の円弧のうち、継手中心を通る軸直角断面より外輪の開口側の部分が継手軸と平行な直線となっている（特許文献２参照）。

米国特許第２０４６５８４号公報 特開昭５３−６５５４７号公報

上記のような固定型等速自在継手では、外輪の端部と、内輪に連結されたシャフトとが干渉することにより最大折曲角が制限される。この制限により、上記のゼッパ型等速自在継手の最大折曲角は４８°程度、ＵＪ型等速自在継手の最大折曲角は５２°程度が限界であった。

本発明の目的は、従来以上の高作動角を実現可能な固定型等速自在継手を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明は、内周球面に軸方向に延びる複数の案内溝を備えた外輪と、外周球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固定型等速自在継手において、前記外輪の案内溝のボール中心軌跡は中心軸に対し勾配を持つ直線部を備え、前記内輪の案内溝のボール中心軌跡は、中心軸に対し前記外輪の案内溝のボール中心軌跡の直線部の勾配と大きさが等しく異符合の勾配を有する直線部と、その直線部の両端部分から延びた内輪の外周球面の中心を中心とする円弧部とからなり、前記外輪の案内溝のボール中心軌跡の直線部と、前記内輪の案内溝のボール中心軌跡の直線部とが、継手中心の軸直角断面上で交差し、前記外輪の案内溝のボール中心軌跡の直線部の長さが、前記内輪の案内溝のボール中心軌跡の直線部の長さより短いことを特徴とする。

このように、本発明の固定型等速自在継手では、外輪の案内溝のボール中心軌跡の直線部の長さを、内輪の案内溝のボール中心軌跡の直線部の長さより短くすることにより、外輪の一端部と内輪に連結したシャフトとの干渉により制限される最大折曲角を広角化することができる。

また、本発明では、外輪の案内溝のボール中心軌跡が直線部で構成されているため、外輪の案内溝の加工を容易に行うことができる。よって、曲線の案内溝を有する等速自在継手の外輪に比べ、製造コストを低減できる。

前記保持器の内周面と外周面は、例えば、継手中心を中心とする球面状とすることができる。あるいは、継手中心を挟んで軸方向反対側に等距離だけオフセットした点を中心とする球面状とすると、より広角な継手の作動域が得られる。

継手を広角に折曲させると、ボールが外輪の案内溝から外れる。このとき、保持器の窓のボール案内面が径方向と平行であると、ボールが外側へ脱落し、等速自在継手の機能を失う。ボールを収容する保持器の窓の外径側窓開き寸法を、前記ボールの径より小さくしておくと、ボールが脱落せず、常に内輪の案内溝側に保持されるため、上記の不具合を回避できる。

上記のように、保持器のボール案内面を外径側で内側に狭めた場合、継手の組付け時に保持器外径側から窓内面にボールを挿入することができないので、ボールは保持器内径側から窓内に挿入することになる。そうすると、内輪を保持器に軸方向で挿入しなければならないため、保持器の一方の端面からボールを収容する窓に通じる内径面を円筒面にしておく必要がある。内輪を保持器の内周に挿入後、前記保持器内周の円筒面に内輪の球面状外周面を摺動案内するための案内リングと、案内リングの抜け止め用の止め輪を装着し、内輪の保持器からの抜け止めを行う。

一方、保持器の外径側窓開き寸法を、保持器と別体の部材によってボールの径よりも小さくすると、保持器の窓に対してその外径側からボールを挿入することが可能になる。

また、内輪の案内溝のボール中心軌跡の直線部に対応する部分と、円弧部に対応する部分とを別部材で形成すると、内輪に直線状の案内溝と円弧状の案内溝とを形成する複雑な工程を分割して行うことができるため、製造が容易化される。

以上のように、本発明によれば、従来以上の高作動角を実現可能な固定型等速自在継手が得られる。

以下、本発明の第１の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１及び図２は本発明の第１実施形態に係る固定型等速自在継手１０を示したもので、図１が作動角０°の状態、図２が限界作動角（約６０°）をとった状態である。この固定型等速自在継手は、内周球面１ａに８本の直線状の案内溝１ｂを軸方向に形成した両端開口円筒状の外輪１と、外周球面２ａに８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に一端が嵌合することにより内輪２に連結されたシャフト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８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とで構成される。本実施形態では、ボールトラックが８本の場合を示しているが、これ以外でも適宜の数に設定すればよい。

保持器５の外周球面５ａ及び内周球面５ｂの曲率中心は、何れも継手中心と一致している。また、外輪１の内周球面１ａ、及び内輪２の外周球面２ａは、それぞれ保持器５の外周球面５ａ、内周球面５ｂと摺接しており、何れの中心も継手中心と一致している。

図３に、図１における案内溝のボール中心軌跡を拡大して示す。外輪１の案内溝１ｂのボール中心軌跡Ｃ１（以下、外輪ボール中心軌跡Ｃ１）は、中心軸Ｈに対してやや傾斜した直線部ａｂ（傾斜角：−θ）である。また、内輪２の案内溝２ｂのボール中心軌跡Ｃ２（以下、内輪ボール中心軌跡Ｃ２）は、中心軸Ｈに対して前記直線部ａｂと大きさが等しく異符合の勾配を有する直線部ｃｄ（傾斜角：θ）と、この直線部ｃｄの両端から所定長延在する円弧部ｃｅ、ｄｆとで構成される。円弧部ｃｅ、ｄｆはいずれも内輪２の外周球面２ａの中心、本実施例では継手中心Ｏを中心とする半径Ｒの円弧である。外輪ボール中心軌跡Ｃ１及び内輪ボール中心軌跡Ｃ２は、直線部ａｂと直線部ｃｄとが中心軸Ｈに対して大きさが等しく異符合の勾配を有していればよく、例えば直線部ａｂが中心軸Ｈに対し正の傾斜角（θ）を有し、直線部ｃｄが中心軸Ｈに対し負の傾斜角（−θ）を有するように設定してもよい。また、直線部ａｂ及び直線部ｃｄは、継手中心の軸直角断面Ｖ上で交差する。さらに、直線部ａｂの長さＬ１は直線部ｃｄの長さＬ２よりも短い（Ｌ１＜Ｌ２）。

また、本発明では、外輪ボール中心軌跡Ｃ１の全体が直線部ａｂで構成されているため、外輪１の案内溝１ｂの加工は、例えば旋削加工や冷間鍛造などにより容易に行うことができる。よって、曲線状の中心軌跡を有する案内溝の加工に比べ低コストに製造できる。また、内輪２も、直線部ｃｄを有するので、案内溝全体が球面状のゼッパ型等速自在継手に比べて低コストに製造することができる。

図１に示すように、二軸が角度変位しない場合、すなわち二軸の回転軸線が一直線となった状態では、すべてのトルク伝達ボール４の中心が継手中心Ｏを含み回転軸線に垂直な平面内にある。外輪１と内輪２とが、例えば角度φだけ角度変位すると、保持器５によってトルク伝達ボール４が、角度φを二等分する平面内に配向せしめられ、これにより継手の等速性が確保される（図２参照）。

保持器５は円環状部材で構成され、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。

図４に拡大して示すように、保持器５の一方の端面、本実施形態ではシャフト３突出側（図中右側）の端面から窓６に通じる内周面は、図４（Ａ）のように、所定幅にわたって内径一定の円筒面５ｃとされ、この円筒面５ｃに形成した溝部５ｄに止め輪７（サークリップ）が嵌合される。この止め輪７の内側であって保持器５の窓６までの間にできた奥狭まりの環状楔空間に、案内リング８が嵌合される。この案内リング８は、その内周面が内輪２の球面状外周面２ａに嵌合し、外周面が保持器５の円筒状内周面５ｃに嵌合する。また、案内リング８の外側の端面（図中右側）は止め輪７の内面（図中左側端面）に当接し、案内リング８の内端（図中左端）と窓６との間には一定の隙間が確保される。

保持器５の窓６のボール案内面は、図４（Ｂ）のように、外径側が幅狭になっている。すなわち、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すボール４の最大径部での軸方向断面において、ボール案内面の内径側は、ボール径よりも僅かに幅広もしくは同寸法で、かつ互いに平行な半径方向の直線状６ａであるが、ボール案内面の外径側はボール径よりも狭い間隔となるように先すぼまりとなっている。この先すぼまりの部分は、傾斜した直線で構成してもよいが、ボールとの当り面圧を下げるために、ボールの外周曲率に符合した凹円弧部６ｂとするのがよい。

本発明に係る固定型等速自在継手は以上のように構成され、外輪ボール中心軌跡Ｃ１の直線部ａｂが、内輪ボール中心軌跡Ｃ２の直線部ｃｄよりも短い（Ｌ１＜Ｌ２、図３参照）ため、図２に示す最大折曲角の状態において広角な作動角をとることができる。これに対し、外輪ボール中心軌跡Ｃ１の直線部ａｂが、内輪ボール中心軌跡Ｃ２の直線部ｃｄよりも長い場合（Ｌ１＞Ｌ２）、破線で示すように、作動角は本願発明品と比べて小さくなる。

また、Ｌ１＜Ｌ２とすることの別の利点として、内輪ボール中心軌跡Ｃ２における円弧部ｃｅ、ｄｆと直線部ｃｄとの変曲点をボール４が通過するとき、ボール４はすでに外輪１の案内溝１ｂから外れているため、変曲点に案内溝１ｂの製作上の段差があっても、障害とならない。

また、大きな作動角をとったときでも、内輪ボール中心軌跡Ｃ２の円弧部ｃｅ、ｄｆが内輪２の外周球面２ａの中心、本実施例では継手中心Ｏを中心とする円弧であるため、ボール４の中心位置が継手中心から離れていかない。さらに、保持器５の窓６の外径側の窓開き寸法をボール径よりも狭くしておくことにより、高作動角において外輪１から外側に出たボール４を内輪２の案内溝２ｂ側に抱え込んでおくことができる。これらにより、高作動角においても、ボール４が保持器５から脱落するのを防止できる。なお、高作動角において、外輪１から外れているボールは、トルクを伝達する役割を果たしていないが、外輪１の案内溝１ｂに保持されている他のボールによりトルクが伝達される。

図２のように、外輪ボール中心軌跡Ｃ１の直線部ａｂと、内輪ボール中心軌跡Ｃ２の直線部ｃｄとが、継手中心の軸直角断面Ｖ上で交差すると共に、直線部ａｂ及び直線部ｃｄが、中心軸に対して大きさが等しく異符合の勾配を有する直線となることで、ボール４を前記交差部分すなわち継手中心Ｏの軸直角断面Ｖ内に保持することができる。このようなボール４の定位置保持によって、継手作動角０°において保持器５を継手中心Ｏの軸直角断面Ｖ内に保持することができる。

以上、本発明の第１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はない。例えば、図５に示す本発明の第２の実施形態に係る固定型等速自在継手２０では、保持器５の窓６の凹円弧部６ｂを、保持器５と別部材５ｅで形成している。これにより、保持器５の窓６に対してその外径側からボール４を装入することが可能になる。

図６に示す本発明の第３の実施形態に係る固定型等速自在継手３０では、内輪ボール中心軌跡Ｃ２の直線部ｃｄに対応する部分と、円弧部ｃｅ、ｄｆに対応する部分とをそれぞれ別部材２１、２２、２３で形成している。これにより、内輪２の外周に直線部と円弧部とからなる案内溝２ｂを形成する複雑な工程を分割して行うことができるため、製造が簡易化される。

図７に示す本発明の第４の実施形態に係る固定型等速自在継手４０は、保持器５の外周球面５ａ、及び内周球面５ｂの曲率中心Ｏ₁、Ｏ₂が、継手中心Ｏに対して、それぞれ軸方向反対側に等距離だけオフセットされる。このように、保持器５の外周球面５ａと内周球面５ｂの曲率中心Ｏ₁、Ｏ₂をオフセットすることにより、継手の作動角をより広角にすることが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る固定型等速自在継手１０の作動角０°の状態を示す断面図である。 固定型等速自在継手１０の限界作動角（約６０°）の状態を示す断面図である。 案内溝のボール中心軌跡を拡大して示した図である。 （Ａ）はボール回りの拡大断面図、（Ｂ）は保持器の窓のボール案内面を誇張した断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る固定型等速自在継手２０の断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る固定型等速自在継手３０の断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る固定型等速自在継手４０の断面図である。

符号の説明

１ 外輪
２ 内輪
３ シャフト
４ トルク伝達用ボール
５ 保持器
６ 窓
７ 止め輪
８ 案内リング
１０ 固定型等速自在継手
Ｃ１ 外輪の案内溝のボール中心軌跡（外輪ボール中心軌跡）
Ｃ２ 内輪の案内溝のボール中心軌跡（内輪ボール中心軌跡）
ａｂ 外輪ボール中心軌跡の直線部
ｃｄ 内輪ボール中心軌跡の直線部
ｃｅ、ｄｆ 内輪ボール中心軌跡の円弧部
Ｈ 中心軸
Ｏ 継手中心
Ｖ 軸直角断面

Claims (7)

1. 内周球面に軸方向に延びる複数の案内溝を備えた外輪と、外周球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固定型等速自在継手において、
   前記外輪の案内溝のボール中心軌跡は中心軸に対し勾配を持つ直線部を備え、前記内輪の案内溝のボール中心軌跡は、中心軸に対して前記外輪の案内溝のボール中心軌跡の直線部の勾配と大きさが等しく異符合の勾配を有する直線部と、その直線部の両端部分から延びた内輪の外周球面の中心を中心とする円弧部とからなり、前記外輪の案内溝のボール中心軌跡の直線部と、前記内輪の案内溝のボール中心軌跡の直線部とが、継手中心の軸直角断面上で交差し、
   前記外輪の案内溝のボール中心軌跡の直線部の長さが、前記内輪の案内溝のボール中心軌跡の直線部の長さより短いことを特徴とする固定型等速自在継手。
2. 前記保持器の内周面と外周面が、継手中心を中心とする球面状である請求項１記載の固定型等速自在継手。
3. 前記保持器の内周面と外周面が、継手中心を挟んで軸方向反対側に等距離だけオフセットした点を中心とする球面状である請求項１記載の固定型等速自在継手。
4. 前記保持器のボールを収容する窓の外径側窓開き寸法を、前記ボールの径より小さくした請求項１記載の固定型等速自在継手。
5. 前記保持器の一方の端面から前記窓に通じる内径面を円筒面にすると共に、この円筒面に内輪の球面状外周面を摺動案内するための案内リングと、案内リングの抜け止め用の止め輪を装着したことを特徴とする請求項１記載の固定型等速自在継手。
6. 前記保持器の外径側窓開き寸法を、保持器と別体の部材によって前記ボールの径よりも小さくしたことを特徴とする請求項１記載の固定型等速自在継手。
7. 前記内輪の案内溝のボール中心軌跡の直線部に対応する部分と、円弧部に対応する部分とを別部材で形成したことを特徴とする請求項１記載の固定型等速自在継手。
   
   

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