JP4681235B2 - 等速ジョイント - Google Patents

Description

本発明は、例えば、自動車の駆動力伝達部において、一方の伝達軸と他方の伝達軸とを連結させる等速ジョイントに関する。

従来より、自動車の駆動力伝達部では、一方の伝達軸と他方の伝達軸とを連結し回転力を各車軸へと伝達する等速ジョイントが用いられている。

この種の従来技術に係る等速ジョイントとして、例えば、非特許文献１には、継手軸（駆動シャフト及び被駆動シャフト）上において、ジョイント中心の両側に等距離だけオフセットして配置されたアウタレースのボール溝中心とインナレースのボール溝中心とを有するツェッパ型等速ジョイントが開示されている。

このツェッパ型等速ジョイントでは、前記アウタレースのボール溝と前記インナレースのボール溝との相対的動作によって、保持器に保持された６個のボールが等速面又は継手軸間の二等分角面上に位置することにより、駆動接点が常に等速面上に維持されて等速性が確保されるとしている。

この場合、非特許文献１では、一般的に使用されるボール溝の断面（継手軸と直交する方向の断面）は、円弧形状又は楕円弧形状に形成され、楕円弧形状のボール溝におけるボールとの接触角度は３０度〜４５度に設定され、最も一般的に採用されている接触角度は４５度であることが記載されている。

また、特許文献２には、外輪の内面に設けた複数のトラック溝と内輪の外面に形成した複数のトラック溝の対向部間にボールを組み込み、前記ボールを外輪と内輪間に組み込んだ保持器で保持した等速ジョイントにおいて、前記外輪の内面と内輪の外面との対向位置には、アンギュラコンタクトトラック（ＡＣ）とサーキュラーコンタクトトラック（ＣＣ）とが周方向に沿って交互に形成され、各トラック（ＡＣ）、（ＣＣ）内にトルク伝達用のボールが組み込まれた構成が開示されている。

この場合、特許文献２では、ＣＣトラックのみに予圧を付与することにより、ジョイントのガタがなくなり、そのジョイントにトルクが付加されることにより、前記ＡＣトラック及びＣＣトラック共に２点の接触でトルクを伝達することが記載されている。

さらに、特許文献３には、球面状の外周面に軸方向に沿うボール溝が複数本形成された内輪と、前記内輪に外嵌すると共にその内周面に内輪側のボール溝に対応する複数のボール溝が形成された外輪と、内輪側のボール溝と外輪側のボール溝との間にそれぞれ介装されたボールと、前記内輪と外輪との間に介装され、ボールを保持するスロットが形成された環状の案内ケージとから構成された等速ジョイントが開示されている。

この場合、特許文献３では、外輪及び内輪に形成された両ボール溝の横断面（軸方向と直交する方向の断面）がボールの半径よりも大きな曲率半径の単一円弧で形成され、ボールは常に外輪及び内輪の両ボール溝と各々一点で接触することが記載されている。

さらにまた、特許文献４には、外輪、内輪、８個のボール及び保持器によって構成され、外輪の案内溝（トラック溝）の溝底が曲線状になった部位の中心が内径面の球面中心に対して、内輪の案内溝（トラック溝）の溝底が曲線状になった部位の中心が外径面の球面中心に対して、それぞれ、軸方向に等距離だけ反対側にオフセットした固定型等速自在継手が開示されている。

この特許文献４では、外輪の内径面の軸方向に形成された案内溝がその横断面形状においてゴシックアーチ状に形成され、一方、内輪の外径面の軸方向に形成された案内溝がその横断面形状においてゴシックアーチ状に形成されることにより、ボールが外輪の案内溝と２点で接触すると共に内輪の案内溝と２点で接触し、しかも、外輪及び内輪の各案内溝とボールとの接触角度が２９度〜３７度の範囲に設定されることが記載されている。

チャールズ・イー・コーニー・ジュニア（Charles E. Cooney,Jr）編、「UNIVERSAL JOINT AND DRIVESHAFT DESIGN MANUAL ADVANCES IN ENGINEERING SERIS NO.7」、（米国）、第２版、THE SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS,INC. １９９１年、ｐ．１４５−１４９ 特開平３−１７２６２１号公報 特開２００１−１６５１８３号公報 特開２００３−４０６２号公報

しかしながら、前記非特許文献１及び特許文献２に開示された技術的思想では、アウタレース及びインナレースのボール溝の断面が楕円弧形状からなり、ボールとの接触角度が３０度〜４５度に設定されているとすると、高作動角時や高負荷時に、ボールの接触楕円がボール溝から外れてインナレースの球面部に乗り上げたり、あるいはボール溝の端部である角部の欠けや摩耗等が発生し、耐久性が劣化するというおそれがある。

また、前記特許文献３に開示された技術的思想では、外輪及び内輪に形成された両ボール溝の横断面がボールの半径よりも大きな曲率半径の単一円弧で形成され、ボールが常に外輪及び内輪の両ボール溝と各一点で接触するように構成されているため、高負荷が付与されたときに内輪のボール溝とボールとの接触位置が前記ボール溝の端部に近接し、接触楕円のはみ出しが発生して該ボール溝に対する接触面圧が大きくなることが想定される。

さらに、前記特許文献４に開示された技術的思想では、外輪及び内輪の各案内溝とそれぞれ２点でボールが接触すると共に、外輪及び内輪の各案内溝とボールとの接触角度が２９度〜３７度の範囲に設定されているため、高負荷が付与されたときに内輪の案内溝とボールとの接触位置が前記内輪の案内溝の端部に近接し、接触楕円のはみ出しが発生して該ボール溝に対する接触面圧が大きくなることが想定される。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、ボールとの接触による案内溝に対する面圧を低減して耐久性を向上させることが可能な等速ジョイントを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、相交わる２軸の一方に連結され、内周面を有するとともに軸方向に延在する複数の第１案内溝が形成され、一端部が開口するアウタ部材と、
前記２軸の他方に連結され、軸方向に延在し前記第１案内溝と同数の第２案内溝が形成されたインナリングと、
前記第１案内溝と前記第２案内溝との間で転動可能に配設され、トルクを伝達するボールと、
前記ボールを収納する保持窓が形成されたリテーナと、
を備える等速ジョイントにおいて、
前記アウタ部材に形成された第１案内溝は、軸方向と直交する横断面が単一の円弧形状からなり、前記ボールと１点で接触するように形成され、
前記インナリングに形成された第２案内溝は、軸方向と直交する横断面が楕円弧形状からなり、前記ボールと２点で接触するように形成され、
前記ボールは、負荷の有無に関わらず、前記第１案内溝に対して１点で接触すると同時に、前記第２案内溝に対して２点で接触する状態を維持することを特徴とする。

この場合、前記第１案内溝の横断面における溝半径（Ｍ）及び第２案内溝の横断面における溝半径（Ｐ、Ｑ）とボールの直径（Ｎ）との比を、それぞれ、０．５１〜０．５５の範囲に設定し、且つ第１案内溝とボールとの接触角度を、鉛直線（Ｌ）を基準として零度とし、さらに第２案内溝とボールとの接触角度（α）を、鉛直線（Ｌ）を基準として１３度〜２２度の範囲に設定するとよい。より好適には、前記第２案内溝とボールとの接触角度（α）が、鉛直線（Ｌ）を基準として１５度〜２０度の範囲に設定されるとよい。

本発明によれば、アウタ部材の第１案内溝の横断面を円弧形状に形成してボールに対して１点接触とし、且つインナリングの第２案内溝の横断面を楕円弧形状に形成してボールに対して２点接触とすることにより、従来技術と比較して、ボールとの接触による第１及び第２案内溝に対する面圧を低減して耐久性を向上させることができる。

この場合、第１及び第２案内溝の横断面における溝半径とボールの直径との比を、それぞれ、０．５１〜０．５５の範囲において設定し、且つ第１案内溝のボールとの接触角度を鉛直線（Ｌ）を基準として零度とし、さらに第２案内溝とボールとの接触角度αを鉛直線（Ｌ）を基準として１３度〜２２度の範囲に設定することにより、面圧を低減させてより一層耐久性を向上させることができる。

なお、より一層好ましくは、前記第２案内溝とボールとの接触角度αを鉛直線（Ｌ）を基準として１５度〜２０度の範囲に設定されるとよい。

アウタ部材の第１案内溝の横断面を円弧形状に形成してボールに対して１点接触とし、且つインナリングの第２案内溝の横断面を楕円弧形状に形成してボールに対して２点接触とすることにより、ボールとの接触による案内溝に対する面圧を低減して耐久性を向上させることができる。

本発明に係る等速ジョイントについて好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。なお、本実施の形態において、縦断面とは、第１及び第２軸の軸方向に沿った断面をいい、横断面とは、前記軸方向と直交する断面をいう。

図１において参照符号１０は、本発明の実施の形態に係る等速ジョイントを示し、この等速ジョイント１０は、第１軸１２の一端部に一体的に連結されて開口部を有する有底円筒状のアウタカップ（アウタ部材）１６と、第２軸１８の一端部に固着されてアウタカップ１６の孔部内に収納されるインナ部材２２とから基本的に構成される。

図１及び図２に示されるように、前記アウタカップ１６の内壁面は内径面２４からなり、前記内径面２４には、軸方向に沿って延在し、軸心の回りにそれぞれ６０度の間隔をおいて６本の第１案内溝２６ａ〜２６ｆが形成される。

前記アウタカップ１６に形成された第１案内溝２６ａ〜２６ｆの横断面は、それぞれ、図３に示されるように、ボール２８の中心Ｏを通る鉛直線Ｌ上に曲率中心Ａを有する単一の円弧形状からなり、前記第１案内溝２６ａ〜２６ｆは、後述するボール２８の外面と、図面上、１点Ｂで接触するように形成される。なお、実際上、回転トルクを伝達する際に負荷が付与された時には、ボール２８の外面と第１案内溝２６ａ〜２６ｆとは点接触ではなく、面接触するように形成される。

前記横断面における第１案内溝２６ａ〜２６ｆの両側には前記内径面２４が連続して形成され、前記第１案内溝２６ａ〜２６ｆと端部と内径面２４との境界部分には面取りされた一組の第１角部３０ａ、３０ｂが形成される。

前記アウタカップ１６の第１案内溝２６ａ〜２６ｆに対するボール２８の接触角度は、鉛直線Ｌを基準として零度に設定されている。また、前記第１案内溝２６ａ〜２６ｆの横断面における溝半径Ｍとボール２８の直径Ｎとの比（Ｍ／Ｎ）は、０．５１〜０．５５に設定されるとよい。

インナ部材２２は、外周面の周方向に沿って前記第１案内溝２６ａ〜２６ｆに対応する複数の第２案内溝３２ａ〜３２ｆが形成されたインナリング３４と、前記アウタカップ１６の内壁面に形成された第１案内溝２６ａ〜２６ｆと前記インナリング３４の外周面３５（図３参照）に形成された第２案内溝３２ａ〜３２ｆとの間で転動可能に配設され、回転トルク伝達機能を営む複数（本実施の形態では、６個）のボール２８と、前記ボール２８を保持する複数の保持窓３６が周方向に沿って形成されアウタカップ１６と前記インナリング３４との間に介装されたリテーナ３８とを有する。

前記インナリング３４は、中心に形成された孔部を介して第２軸１８の端部にスプライン嵌合され、あるいは第２軸１８の環状溝に装着されるリング状の係止部材４０を介して第２軸１８の端部に一体的に固定される。該インナリング３４の外周面３５には、アウタカップ１６の第１案内溝２６ａ〜２６ｆに対応して配置され、周方向に沿って等角度離間する複数の第２案内溝３２ａ〜３２ｆが形成される。

前記第２案内溝３２ａ〜３２ｆの横断面は、図３に示されるように、水平方向に沿って所定距離だけ離間する一対の中心Ｃ、Ｄを有する楕円弧形状からなり、前記第２案内溝３２ａ〜３２ｆは、ボール２８の外面と、図面上、２点Ｅ、Ｆで接触するように形成される。なお、実際上、回転トルクを伝達する際に負荷が付与された時には、ボール２８の外面と第２案内溝３２ａ〜３２ｆとは点接触ではなく、面接触するように形成される。

前記横断面における第２案内溝３２ａ〜３２ｆの両側には前記外周面３５が連続して形成され、前記第２案内溝３２ａ〜３２ｆと端部と外周面３５との境界部分には面取りされた一組の第２角部４２ａ、４２ｂが形成される。

第２案内溝３２ａ〜３２ｆに対するボール２８の接触角度αは、鉛直線Ｌを基準として左右に等角度αだけ離間するように設定される。この場合、前記第２案内溝３２ａ〜３２ｆに対するボール２８の接触角度αを、図４に示されるように、１３度〜２２度の範囲で設定すると耐久性が良好となり、さらに、前記第２案内溝３２ａ〜３２ｆに対するボール２８の接触角度αを、１５度〜２０度の範囲で設定すると極めて良好な耐久性が得られる。また、前記第２案内溝３２ａ〜３２ｆの横断面における溝半径Ｐ、Ｑとボール２８の直径Ｎとの比（Ｐ／Ｎ、Ｑ／Ｎ）は、０．５１〜０．５５に設定されるとよい。

前記ボール３２は、例えば、鋼球によって形成され、アウタカップ１６の第１案内溝２６ａ〜２６ｆとインナリング３４の第２案内溝３２ａ〜３２ｆとの間に周方向に沿ってそれぞれ１個ずつ転動可能に配設される。このボール３２は、第１軸１２の回転トルクを、インナリング３４を介して第２軸１８に伝達するとともに、第１案内溝２６ａ〜２６ｆ及び第２案内溝３２ａ〜３２ｆに沿って転動することにより、第２軸１８（インナリング３４）と第１軸１２（アウタカップ１６）との間の交差する角度方向の相対的変位を可能とするものである。

本実施の形態に係る等速ジョイント１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作並びに作用効果について説明する。

第１軸１２が回転すると、その回転トルクはアウタカップ１６から各ボール２８を介してインナリング３４に伝達され、第２軸１８が前記第１軸１２と等速性を保持しながら所定方向に回転する。

その際、第１軸１２と第２軸１８との交差角度（作動角）が変化する場合には、第１案内溝２６ａ〜２６ｆと第２案内溝３２ａ〜３２ｆとの間で転動するボール２８の作用下にリテーナ３８が所定角度だけ傾動して角度変位が許容される。

この場合、リテーナ３８の保持窓３６に保持された６個のボール２８が等速面又は第１軸、第２軸１２、１８間の二等分角面上に位置することにより、駆動接点が常に等速面上に維持されて等速性が確保される。このように、第１軸１２及び第２軸１８の等速性を保持しつつ、それらの角度変位が好適に許容される。

本実施の形態では、アウタカップ１６の第１案内溝２６ａ〜２６ｆの横断面を円弧形状に形成してボール２８に対して１点接触とし、且つインナリング３４の第２案内溝３２ａ〜３２ｆの横断面を楕円弧形状に形成してボール２８に対して２点接触とすることにより、非特許文献１及び特許文献２〜４に係る従来技術と比較して、ボール２８との接触による第１案内溝２６ａ〜２６ｆ及び第２案内溝３２ａ〜３２ｆに対する面圧を低減して耐久性を向上させることができる。

この場合、本実施の形態では、第１案内溝２６ａ〜２６ｆ及び第２案内溝３２ａ〜３２ｆの横断面における溝半径とボール２８の直径との比（Ｍ／Ｎ、Ｐ／Ｎ、Ｑ／Ｎ）を、それぞれ、０．５１〜０．５５の範囲において設定し、且つ第１案内溝２６ａ〜２６ｆとボール２８との接触角度を鉛直線Ｌを基準として零度とし、さらに第２案内溝３２ａ〜３２ｆとボール２８との接触角度αを鉛直線Ｌを基準として１３度〜２２度の範囲に設定することにより、面圧を低減させてより一層耐久性を向上させることができる。

前記第１案内溝２６ａ〜２６ｆ及び第２案内溝３２ａ〜３２ｆの横断面における溝半径とボールとの直径の比を、０．５１〜０．５５とした理由は、０．５１未満であると溝半径とボール２８の直径とが近接すぎるためにベタ当たり（全面接触）に近似した状態となりボール２８の転がりが悪くなるために耐久性が劣化する、一方、０．５５を超えると逆にボール２８の接触楕円が小さくなるために接触面圧が高くなり耐久性が劣化するからである。

なお、前記第２案内溝３２ａ〜３２ｆとボール２８との接触角度α、及び、前記第１案内溝２６ａ〜２６ｆ及び第２案内溝３２ａ〜３２ｆの横断面における溝半径とボールとの直径の比は、それぞれ、シミュレーションと実験とを何度も繰り返した結果、求められたものである。

さらに、第２案内溝３２ａ〜３２ｆに対するボール２８の接触角度αを１３度〜２２度の範囲に設定した理由は、前記接触角度αが１３度未満であるとボール２８に対する荷重が増大することにより面圧が高くなり耐久性が劣化する、一方、前記接触角度αが２２度を超えると第２案内溝３２ａ〜３２ｆの端部（第２角部４２ａ、４２ｂ）とボール２８の接触位置が近接することとなり、接触楕円のはみ出しが起こり面圧が高くなって耐久性が劣化するからである。

なお、本実施の形態の対象となる等速ジョイント１０は、ジョイント中心の両側に等距離だけオフセットして配置されたアウタカップ１６の第１案内溝２６ａ〜２６ｆの中心（図示せず）とインナリング３４の第２案内溝３２ａ〜３２ｆの中心（図示せず）とを有するツェッパ型等速ジョイントに限定されるものではなく、前記第１案内溝２６ａ〜２６ｆの中心とインナリング３４の第２案内溝３２ａ〜３２ｆの中心とがオフセットしていない図示しない他の等速ジョイントも含まれる。

本発明の実施の形態に係る等速ジョイントの軸方向に沿った縦断面図である。 図１に示す等速ジョイントを軸方向（矢印Ｘ方向）からみた一部断面側面図である。 図１に示す等速ジョイントの軸方向と直交する部分拡大横断面図である。 第２案内溝とボールとの接触角度と耐久性との関係を示す説明図である。

符号の説明

１０…等速ジョイント １２…第１軸
１６…アウタカップ １８…第２軸
２２…インナ部材 ２４…内径面
２６ａ〜２６ｆ…第１案内溝 ２８…ボール
３０ａ、３０ｂ…第１角部 ３２ａ〜３２ｆ…第２案内溝
３４…インナリング ３６…保持窓
３８…リテーナ ４２ａ、４２ｂ…第２角部

Claims (3)

1. 相交わる２軸の一方に連結され、内周面を有するとともに軸方向に延在する複数の第１案内溝が形成され、一端部が開口するアウタ部材と、
   前記２軸の他方に連結され、軸方向に延在し前記第１案内溝と同数の第２案内溝が形成されたインナリングと、
   前記第１案内溝と前記第２案内溝との間で転動可能に配設され、トルクを伝達するボールと、
   前記ボールを収納する保持窓が形成されたリテーナと、
   を備える等速ジョイントにおいて、
   前記アウタ部材に形成された第１案内溝は、軸方向と直交する横断面が単一の円弧形状からなり、前記ボールと１点で接触するように形成され、
   前記インナリングに形成された第２案内溝は、軸方向と直交する横断面が楕円弧形状からなり、前記ボールと２点で接触するように形成され、
   前記ボールは、負荷の有無に関わらず、前記第１案内溝に対して１点で接触すると同時に、前記第２案内溝に対して２点で接触する状態を維持することを特徴とする等速ジョイント。
2. 請求項１記載の等速ジョイントにおいて、
   前記第１案内溝の横断面における溝半径（Ｍ）及び第２案内溝の横断面における溝半径（Ｐ、Ｑ）とボールの直径（Ｎ）との比は、それぞれ、０．５１〜０．５５の範囲に設定され、且つ第１案内溝とボールとの接触角度は鉛直線（Ｌ）を基準として零度とし、さらに第２案内溝とボールとの接触角度（α）は鉛直線（Ｌ）を基準として１３度〜２２度の範囲に設定されることを特徴とする等速ジョイント。
3. 請求項２記載の等速ジョイントにおいて、
   前記第２案内溝とボールとの接触角度（α）は、鉛直線（Ｌ）を基準として１５度〜２０度の範囲に設定されることを特徴とする等速ジョイント。

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