JP4624892B2 - 等速自在継手 - Google Patents

Description

本発明の等速自在継手は、駆動側の回転軸と従動側の回転軸とを連結し、両軸が角度をなした状態でも等角速度でトルク伝達可能にしたもので、自動車をはじめ各種産業機械の動力伝達用の等速自在継手として利用される。

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、等速自在継手が一般に使用される。この等速自在継手として、従来、角度変位のみ許容する固定型として、ゼッパ型等速自在継手（特許文献１参照）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（特許文献２参照）が知られている。また、角度変位に加えて軸方向変位も許容する摺動型のひとつとして、いわゆるダブルオフセット型（以下ＤＯＪ型という）等速自在継手（特許文献３参照）が知られている。このＤＯＪ型等速自在継手は、ボールを保持する保持器外径球面と内径球面の各中心位置を継手中心から反対方向に等距離だけオフセットしたもので、摺動型では外側継手部材の内周面を円筒面にするが、内周面を球面にして固定型としても使用される。
米国特許第２０４６５８４号公報 特開昭５３−６５５４７号公報 特開昭５７−７６３２３号公報

ＤＯＪ型等速自在継手においては、継手を高作動角で回転させる場合、ボールが外側継手部材の案内溝から外側にはみ出すと、ボールが保持器の窓から半径方向外方に飛出すのを阻止することができない。このため、従来のＤＯＪ型等速自在継手では、ボールは必ず外側継手部材の案内溝の中に収めておく必要があり、これにより継手の最大作動角が一般的には２５°に抑えられ、限界は３１°であった。

継手の作動角をさらに大きく、例えば６０°程度にするには、ボールを外側継手部材の案内溝から外側に出さざるを得ない。そのとき、保持器のボール案内面が平面であると、ボールが保持器の窓から外側に脱落してしまい、等速自在継手はその機能を失う。

本発明の目的は、ボールを脱落させることなく外側継手部材の外側に出すことにより、最大作動角６０°を実現可能な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、請求項１の発明は、内周面に軸方向に延びる複数の案内溝を形成した外側継手部材と、外径球面に軸方向に延びる複数の案内溝を形成した内側継手部材と、外側継手部材の案内溝と内側継手部材の案内溝とが協働して形成され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ボールと、外側継手部材の内周面に摺接する外径球面と内側継手部材の外径球面に摺接する内径球面とを有しトルク伝達ボールを保持する保持器とを備え、継手作動角０°において、外側継手部材の案内溝のボール中心軌跡を継手中心軸と平行な第１直線部とし、内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡を、継手中心を通り継手中心軸に垂直な垂線をまたぐ所定範囲では前記第１直線部と平行な第２直線部とすると共に、前記第２直線部の両端から先の所定範囲では内側継手部材の外径球面の中心を中心とする円弧部とし、前記保持器の内径球面と外径球面の各中心位置を前記継手中心から継手中心軸に沿って反対方向に等距離だけオフセットし、かつ、ボールを保持する保持器の窓の外径側窓開き寸法をボール径よりも小さくしたことを特徴とする。

この発明の等速自在継手は、作動角が０°のとき、ボールが外側継手部材の第１直線部と内側継手部材の第２直線部にそれぞれ対応する案内溝に保持されてトルクを伝達する。第１直線部と第２直線部は互いに平行であるが、保持器の内径球面と外径球面の各中心位置が継手中心から反対方向に等距離だけオフセットして保持器の継手作動角方向の回転が拘束される結果、各ボールの中心は継手中心を含み継手中心軸に垂直な平面内に保持される。作動角θが生じると、ボールは第１直線部と第２直線部の交差部で追われつつ保持器によって作動角θ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。作動角θがさらに大きくなってボールの中心が第２直線部から外れて円弧部に至ると、ボールは外側継手部材の案内溝から外れる。この状態では、ボール径よりも小さい外径側窓開き寸法を有する保持器によってボールが内側継手部材の円弧部対応の案内溝に保持され、ボールの脱落が阻止される。したがって、本発明に係る等速自在継手は、３０°を越えて６０°に達する作動角を実現可能にする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、ボール径よりも小さくなる保持器の窓の外径側部分を、ボールを外径側から窓内に装入した後に後付け可能な別部材で構成したことを特徴とする。
このように構成することにより、継手の組立工程において保持器外径側からでもボールを装入可能となって継手の組立を容易にする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、継手開口側の保持器の内径面を円筒面にするとともに、この円筒面に内側継手部材の外径球面を摺接案内するための案内リングと、案内リングの抜止め用の留め輪を装着したことを特徴とする。

保持器のボール案内面を外径側で内側に狭めた場合、継手の組付時に保持器外径側から窓内にボールを挿入することができない。ボールは保持器内径側から窓内に挿入することになるが、そうすると、内側継手部材を継手開口側から保持器に挿入しなければならないから、継手開口側の保持器の内径面は円筒面にしておく必要がある。この円筒面は、そのままにしておくと内側継手部材の抜止めにならないから、案内リングと止め輪で内側継手部材を抜止めする。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡の円弧部を、内側継手部材の本体外周に嵌合した別部材の案内溝のボール中心軌跡で構成したことを特徴とする。
前述のように、ボールの中心が外側継手部材と内側継手部材の直線部（第１直線部と第２直線部）にある状態では当該ボールによってトルク伝達がなされる。したがって、直線部に対応する案内溝には所定の強度と寸法精度が要求され、その要求レベルに応じて加工コストは高くなる。一方、ボールの中心が内側継手部材の円弧部にある状態ではボールは外側継手部材の案内溝から外れている。このため、当該ボールのトルク伝達機能は既に喪失しており、円弧部に対応する内側継手部材の案内溝に負荷はかからない。そこで、当該円弧部に対応する内側継手部材を別部材で構成することにより、当該別部材の材質および加工方法を、内側継手部材本体に比べてより低コストなものに選択することができる。

請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記外側継手部材と内側継手部材の複数の案内溝のうち、一部の案内溝のボール中心軌跡のみ、請求項１の第１直線部、第２直線部および円弧部で構成し、残りの案内溝のボール中心軌跡を、全体が重なり合い継手中心を中心とする単一円弧としたことを特徴とする。
すなわち、ボールトラックの数は通常６又は８あるいはそれ以上であるが、そのうちの例えば３つ又は４つのボールトラックのみ（すなわちボールトラック一つおき）、ボール中心軌跡を請求項１のようにし、残りのボールトラックでは内外二つの案内溝のボール中心軌跡を全体が重なる単一円弧とするものである。これにより、伝達可能なトルクをより大きくすることができる。

請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記外側継手部材の内周面を、前記保持器の外径球面と面摺接する内径球面としたことを特徴とする。この場合、継手は角度変位のみ許容する固定型となる。

請求項７の発明は、請求項１の発明において、前記外側継手部材の内周面を、前記保持器の外径球面と線摺接する内径円筒面としたことを特徴とする。この場合、継手は角度変位と軸方向変位の両方を許容する摺動型となる。

本発明の等速自在継手は、内側継手部材のボール中心軌跡の両側の円弧部を継手中心を中心とする円弧部とし、かつ、保持器外径側の窓開き寸法をボール径よりも狭くしてあるため、６０°に達する高作動角を取ったときでもボールの中心位置が継手中心から離れていくことがなく、ボールを内側継手部材の案内溝側に保持器で抱え込んでおくことができ、ボールの脱落を阻止しつつ６０°に至る高作動角化を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。図１〜図４が固定型等速自在継手、図５（Ａ）（Ｂ）が摺動型等速自在継手の実施形態である。図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、等速自在継手はほぼストレート円筒状の外側継手部材１と、外径球面を有する内側継手部材２を有する。内側継手部材の中心孔に対してスプラインまたはセレーションによりシャフトが連結される。２つの継手部材が成す作動角は、図１（Ａ）で０°、（Ｂ）で約５５°（最大作動角θｍａｘ）である。

外側継手部材１の内周面は内径球面１ａを成す。この内径球面１ａの中心Ａは、継手中心Ｏから継手中心軸方向に沿って一方向（図１（Ａ）で左方）に所定距離ｆだけオフセットしている。内径球面１ａに、継手中心軸方向に延びる案内溝１ｂが形成される。案内溝１ｂは、外側継手部材１の円周方向等間隔に例えば６本または８本、あるいはさらに多数本で形成される。案内溝１ｂの溝底形状すなわち案内溝１ｂのボール中心軌跡Ｃ１は、図４のように、継手中心軸と平行な第１直線部ａｂで構成される。

内側継手部材２の外周面は外径球面２ａを成す。この外径球面２ａの中心Ｂは、継手中心Ｏから継手中心軸方向に沿って一方向（図１（Ａ）で右方）に所定距離ｆだけオフセットしている。外径球面２ａに、継手中心軸方向に延びる案内溝２ｂが形成される。案内溝２ｂは、外側継手部材１の案内溝１ｂと同数で内側継手部材２の円周方向等間隔に例えば６本または８本、あるいはさらに多数本で形成される。案内溝２ｂの溝底形状すなわち案内溝２ｂのボール中心軌跡Ｃ２は、三つの軌跡Ｃ２−１、Ｃ２−２およびＣ２−３で構成される。第１の軌跡Ｃ２−１は、継手中心Ｏを通り継手中心軸に垂直な垂線Ｖをまたぐ所定範囲で第１直線部ａｂと平行または重複する第２直線部ｄｅである。ここで「平行」というのは、第１直線部ａｂと第２直線部ｄｅとの間に遊びとしての僅かな間隔を形成する場合を指す。図４のように、第１直線部ａｂと第２直線部ｄｅとがまったく重複する場合、すなわち、第１直線部ａｂと第２直線部ｄｅとの間に隙間がゼロの場合、作動角０°においてボール３と案内溝１ｂ、２ｂ間に異常面圧が発生するおそれがある。したがって、第１直線部ａｂと第２直線部ｄｅとの間に遊びとしての僅かな間隔を形成するのが望ましい。第２および第３の軌跡Ｃ２−２、Ｃ２−３は、第２直線部ｄｅの両端から先の所定範囲に延びる、内側継手部材２の外径球面２ａの中心Ｂを中心とする半径Ｒ１の左右一対の円弧部ｃｄ、ｅｆである。円弧部ｃｄ、ｅｆの長さは、基本的には等長であるが異なる長さとしてもよい。

円弧部ｃｄ、ｅｆに対応する案内溝の部分は、第２直線部ｄｅに対応する案内溝を含めて、一体物としての内側継手部材２の外径球面２ａを加工することで形成することができる。しかし、図１および図２に示すように、内側継手部材２の外径球面に直角段部８ａ、８ｂを形成し、この直角段部８ａ、８ｂに嵌合した環状の別部材９ａ、９ｂの案内溝によって円弧部ｃｄ、ｅｆを形成してもよい。ボール３が円弧部ｃｄ、ｅｆにある時は当該ボール３は外側継手部材１の案内溝１ｂから外れてトルク伝達が行なわれないので、別部材９ａ、９ｂだけを内側継手部材２の本体材料よりも安価軽量で加工容易な例えば樹脂材などで構成することが可能となる。

保持器４は、図１、図３に示すように円筒状であって、内側が内径球面４ｃ、外側が外径球面４ｄとされる。これら内径球面４ｃと外径球面４ｄは、内側継手部材２の外径球面２ａと外側継手部材１の内径球面１ａに面同士で摺接する（面摺接）。したがって、図１のように、外径球面４ｄは中心Ａを中心とする半径Ｒ２の球面であり、内径球面４ｃは中心Ｂを中心とする半径Ｒ３の球面である。

保持器４は円周方向にボール３と同数の窓４ｂを有する。この窓４ｂ内にボール３を収容する。図３のように、窓４ｂの内周面であって継手軸方向に対向する面が案内面４ｂ１、４ｂ２である。ボール案内面４ｂ１、４ｂ２は外径側が幅狭になっている。すなわち、ボール案内面の内径側は、ボール径と等しい間隔を明けて互いに平行直線状４ｂ１であるが、ボール案内面の外径側はボール径よりもやや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３との当り面圧を下げるために、ボール３の外周曲率に符合した凹円弧状４ｂ２にするのがよい。なお、図３で破線で示す部分、すなわちボール径よりも小さくなる保持器４の窓４ｂの外径側部分を、別部材で構成してもよい。窓４ｂ内にボール３を装入した後、この別部材を溶接、接着または焼嵌めなどにより保持器４本体に取付けることにより、ボール３の装入作業が容易になる。

保持器４の継手開口側の内径面は、図２（Ｂ）のように、所定幅にわたって内径一定の円筒面とされ、この円筒面に形成した溝部４ａに止め輪５（サークリップ）が嵌合される。この止め輪５の内側であって保持器４の窓４ｂまでの間にできた奥狭まりの環状楔空間に、案内リング６が嵌合される。この案内リング６は、その内周面が内側継手部材２の外径球面２ａに摺動可能に嵌合し、外周面が保持器４の内径円筒面に固定的に嵌合する。また、案内リング６の外端は止め輪５の内面に当接する。案内リング６の内端とボール３との間には一定の隙間が確保される。

図３のように保持器４の窓４ｂのボール案内面を外径側で内側に狭めた場合、継手の組付時に保持器４外径側から窓４ｂ内にボール３を挿入することができない。ボール３は保持器４内径側から窓４ｂ内に挿入することになる。この場合、内側継手部材２を継手開口側から保持器４に挿入しなければならなくなる。したがって、継手開口側の保持器４の内径面は円筒面にしておく必要がある。この円筒面は、そのままにしておくと内側継手部材２の抜止めにならないから、案内リング６と止め輪５で内側継手部材２を抜止めする。

本発明の等速自在継手は、図１（Ａ）の作動角０°の状態で、保持器４の外径球面４ｄの中心Ａと内径球面４ｃの中心Ｂが継手中心Ｏから反対方向にオフセットしているため、保持器４単独では時計方向および反時計方向のいずれにも回転することができない。このため、各ボール３の中心は継手中心Ｏを含み継手中心軸に垂直な平面Ｖ内に保持される。

この作動角０°の状態から、外側継手部材１に対して内側継手部材２が作動角θだけ角度変位すると、ボール３はその中心が第１直線部ａｂと第２直線部ｄｅの交差部で追われると同時に、保持器４によって角度θ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。

次に、ボール３の中心が第２直線部ｄｅから外れて円弧部ｃｄまたはｅｆに至ると、ボール３は外側継手部材１の案内溝１ｂから外れる。この状態では、ボール径よりも小さい外径側窓開き寸法を有する保持器４によってボール３が内側継手部材２の前記円弧部ｃｄ、ｅｆ対応の案内溝２ｂに保持され、ボール３の脱落が阻止される。円弧部ｃｄ、ｅｆの中心は、内側継手部材２の外径球面２ａの中心Ｂ、すなわち保持器４の内径球面４ｃの中心Ｂであるから、ボール３の中心が円弧部ｃｄ、ｅｆにある間はボール３が中心Ｂから半径方向に変位せず、保持器４の窓４ｂ内に保持される。このように、本発明に係る等速自在継手は、３０°を越えて６０°に達する作動角を実現可能にする。作動角が図１（Ｂ）のようにθｍａｘになると、シャフト７が外側継手部材１に干渉してそれ以上傾斜することができなくなる。

次に、本発明の別の等速自在継手の実施形態を図５（Ａ）（Ｂ）に基づき説明する。図１（Ａ）（Ｂ）は固定型等速自在継手の実施形態に関するものであったが、図５（Ａ）（Ｂ）は摺動型等速自在継手の実施形態に関するものである。この図５（Ａ）（Ｂ）の実施形態は外側継手部材１１の形状が図５（Ａ）（Ｂ）のものと異なるが、それ以外は変わらない。図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、外側継手部材１１は一端が端壁１１ｃで閉塞された円筒カップ状を成す。外側継手部材１１の内周面は内径円筒面１１ａとされる。この円筒面１１ａに継手中心軸方向に直線状に延びる案内溝１１ｂが形成される。案内溝１１ｂの数は内側継手部材２の案内溝２ｂと同数である。保持器４の外径球面４ｄが外側継手部材１１の円筒面１１ａに複数の線で摺接する（線摺接）。

この摺動型等速自在継手においては、内側継手部材２が図５（Ａ）の矢印方向に摺動可能である。内側継手部材２が外側継手部材１１の開口側に最接近して５５°程度の最大作動角θｍａｘをとった状態が図５（Ｂ）である。この状態ではボール３が外側継手部材１１の案内溝１１ｂから外れるが、ボール３は、ボール径よりも小さい外径側窓開き寸法を有する保持器４によって内側継手部材２の案内溝２ｂに保持され、その脱落が阻止される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に含まれる技術的思想に基づき種々の変形が可能である。

（Ａ）（Ｂ）は本発明に係る等速自在継手の断面図。 （Ａ）はボール周辺の拡大断面図、（Ｂ）は変形例に係る同様の断面図。 保持器の窓のボール案内面形状を誇張して示す拡大断面図。 外側継手部材と内側継手部材の両案内溝のボール中心軌跡を重ねて示す図。 （Ａ）（Ｂ）は本発明に係る別の等速自在継手の断面図。

符号の説明

１ 外側継手部材
１ａ 内径球面
１ｂ，２ｂ 案内溝
２ 内側継手部材
２ａ 外径球面
３ トルク伝達ボール
４ 保持器
４ａ 溝部
４ｂ 窓
４ｃ 内径球面
４ｄ 外径球面
５ 止め輪
６ 案内リング
７ シャフト
８ａ、８ｂ 直角段部
９ａ、９ｂ 別部材
Ｃ１，Ｃ２ ボール中心軌跡

Claims (7)

1. 内周面に軸方向に延びる複数の案内溝を形成した外側継手部材と、外径球面に軸方向に延びる複数の案内溝を形成した内側継手部材と、外側継手部材の案内溝と内側継手部材の案内溝とが協働して形成され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ボールと、外側継手部材の内周面に摺接する外径球面と内側継手部材の外径球面に摺接する内径球面とを有しトルク伝達ボールを保持する保持器とを備え、継手作動角０°において、外側継手部材の案内溝のボール中心軌跡を継手中心軸と平行な第１直線部とし、内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡を、継手中心を通り継手中心軸に垂直な垂線をまたぐ所定範囲では前記第１直線部と平行な第２直線部とすると共に、前記第２直線部の両端から先の所定範囲では内側継手部材の外径球面の中心を中心とする円弧部とし、前記保持器の内径球面と外径球面の各中心位置を前記継手中心から継手中心軸に沿って反対方向に等距離だけオフセットし、かつ、ボールを保持する保持器の窓の外径側窓開き寸法をボール径よりも小さくしたことを特徴とする等速自在継手。
2. ボール径よりも小さくなる保持器の窓の外径側部分を、ボールを外径側から窓内に装入した後に後付け可能な別部材で構成したことを特徴とする請求項１の等速自在継手。
3. 継手開口側の保持器の内径面を円筒面にするとともに、この円筒面に内側継手部材の外径球面を摺接案内するための案内リングと、案内リングの抜止め用の留め輪を装着したことを特徴とする請求項１の等速自在継手。
4. 前記内側継手部材の案内溝のボール中心軌跡の円弧部を、内側継手部材の本体外周に嵌合した別部材の案内溝のボール中心軌跡で構成したことを特徴とする請求項１の固定型等速自在継手。
5. 前記外側継手部材と内側継手部材の複数の案内溝のうち、一部の案内溝のボール中心軌跡のみ、請求項１の第１直線部、第２直線部および円弧部で構成し、残りの案内溝のボール中心軌跡を、全体が重なり継手中心を中心とする単一円弧としたことを特徴とする請求項１の等速自在継手。
6. 前記外側継手部材の内周面を、前記保持器の外径球面と面摺接する内径球面としたことを特徴とする請求項１の等速自在継手。
7. 前記外側継手部材の内周面を、前記保持器の外径球面と線摺接する内径円筒面としたことを特徴とする請求項１の等速自在継手。

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