JP6644528B2 - シール構造および等速自在継手 - Google Patents

Description

本発明は、シール構造及びシール構造を備えた等速自在継手に関する。

例えば、各種産業機械などで使用される等速自在継手では、外部からの異物の侵入および内部からのグリースの漏出を防止するためのシール部材として、ゴムや樹脂製のブーツを装着しているのが一般的である。

しかしながら、各種産業機械の動力伝達機構に適用される等速自在継手のうち、鉄鋼設備等に用いた場合、化学水や鉄粉を含む熱湯等が飛散する厳しい環境下（劣悪雰囲気下）で使用されることが多い。このため、このような劣悪雰囲気下において用いる等速自在継手では、従来において、ゴムや樹脂製のブーツからなるシール部材を使用せず、金属製の球面シール構造を採用することが種々提案された（特許文献１及び特許文献２）。

金属製の球面シール構造を用いた等速自在継手は、例えば、図３に示すような構成となる。この等速自在継手は、内径面１に複数のトラック溝２が軸方向に沿って形成された外側継手部材３と、外径面４に複数のトラック溝５が軸方向に沿って形成された内側継手部材６と、外側継手部材３のトラック溝２と内側継手部材６のトラック溝５との対で形成されるボールトラックに配置される複数のトルク伝達ボール７と、外側継手部材３の内径面１と内側継手部材６の外径面４との間に介在すると共にトルク伝達ボール７を保持するケージ８を備える。

内側継手部材６の孔部の内径面には雌スプライン１１が形成され、この内側継手部材６の孔部に、シャフト１２の雄スプライン１３が嵌入され、この雄スプライン１３が内側継手部材６の雌スプライン１１に嵌合する。

外側継手部材３の一方の開口部はシール構造Ｓにて塞がれている。シール構造Ｓは、ブーツを使用しない金属同士の球面接触による球面シール構造であり、シャフト側のシール内環２０と、外側継手部材側のシール外環２１と、シール内環２０をシール外環２１側へ押圧する弾性部材２２とを備える。

シール内環２０は、凸球面状のシール面２３を有するお碗形状の本体部２０ａと、本体部２０ａの内径部に連設される短円筒部２０ｂとからなる。また、シール外環２１は、継手外部側の内径部に内鍔部２１ａを有するリング体からなる。シール外環２１は、外側継手部材３に螺着される図示省略のボルト部材を介して外側継手部材３に固着される。シール外環２１の内鍔部２１ａは、径方向に延びる径方向部２５と、この径方向部２５の内径部に継手外部から継手内部に向かって縮径するように延びる延設部２６とを備える。そして、この延設部２６の端面が前記シール面２３に摺接する凹曲面状のシール面２７となる。また、シャフト１２には、円筒状のスペーサ２８が外嵌されている。このスペーサ２８にシール内環２０が外嵌される。

弾性部材２２はコイルスプリングからなり、シール内環２０と内側継手部材６との間に介在される。この場合、シール内環２０には、短円筒部２０ｂの外径面と本体部２０ａの内面との間に周方向凹部２９が設けられる。このため、弾性部材２２の一方の端部２２ａが周方向凹部２９に嵌合し、他方の端部２２ｂが内側継手部材６の端面に接触している。したがって、弾性部材２２の弾性力によって、シール内環２０が継手外方へ押圧される。

すなわち、図３の仮想線で示すように、等速自在継手が作動角(例えば、１０°)をとった場合であっても、弾性部材２２の弾性力によって、シール内環２０のシール面２３とシール外環２１のシール２７とが圧接するように設定される。このため、シール内環２０のシール面２３とシール外環２１のシール面２７との間において、シール性に優れ、安定したシール機能を発揮する。

特開２０１０−６５８１４号公報 特開２０１１−１９０８７１号公報

前記のように、金属球面シール構造を有する等速自在継手の場合、シール内環のシール面とシール外環のシール面との金属摺接である。すなわち、球面で合わさっているシール部が回転に伴い擦れることになる。このため、シール面が摩耗しやすく、このように摩耗すれば、シール機能が低下することになり、このようなシール構造におけるシール機能の寿命が短い。

そこで、本発明では、シール機能の長寿命化を図ることが可能なシール構造及び等速自在継手を提供する。

本発明のシール構造は、内径面に複数のトラック溝が形成された外側継手部材と、外径面に複数のトラック溝が形成された内側継手部材と、外側継手部材のトラック溝と内側継手部材のトラック溝との間に介在されてトルクを伝達するトルク伝達部材とを備え、かつ、前記外側継手部材は底壁を有するマウス部を備え、前記外側継手部材のマウス部にシャフトが嵌入される等速自在継手における、このマウス部とシャフトとの間の開口部を密封するシール構造であって、凸球面状のシール面を有する金属球面シール内環と、この金属球面シール内環のシール面と相対的に摺接する凹球面状のシール面を有する金属球面シール外環とを備え、前記金属球面シール内環が、前記外側継手部材側に第１軸受構造部を介して外側継手部材との供回りが規制された状態で装着され、前記金属球面シール外環が、前記内側継手部材側に第２軸受構造部を介して内側継手部材との供回りが規制された状態で装着されるものである。

本発明のシール構造によれば、金属球面シール内環が、外側継手部材側に第１軸受構造部を介して外側継手部材との供回りが規制された状態で装着され、金属球面シール外環が、前記内側継手部材側に第２軸受構造部を介して内側継手部材との供回りが規制された状態で装着されているので、この等速自在継手にてトルクが伝達されている際に、金属球面シール内環と金属球面シール外環とは回転しない。このため、球面で合わさっているシール部に回転にともなう擦れが生じない。

前記第１軸受構造部は、前記外側継手部材の開口部に装着される外側継手部材側台座と、この外側継手部材側台座に装着される転がり軸受とを備え、この転がり軸受を介して前記金属球面シール内環が外側継手部材側台座に装着されるように構成できる。このように構成することによって、第１軸受構造部及び第２軸受構造部を安定して提供できる。

前記内側継手部材は、前記トルク伝達部材が嵌合するトラック溝が形成された内輪構成部を有するシャフトにて形成され、前記第２軸受構造部は、前記シャフトに装着される転がり軸受を備え、この転がり軸受に前記金属球面シール外環が装着されているものであってもよい。このように、内側継手部材が、トルク伝達部材が嵌合するトラック溝が形成された内輪構成部を有するシャフトにて形成された場合、シャフトと内側継手部材との間で、スプライン嵌合させる必要がない。このため、組み立て性の向上を図ることができる。なお、スプライン嵌合が必要であれば、トルク伝達ボールのピッチ円を小さくした場合に内側継手部材のボール溝底(トラック溝底)からスプライン間の肉厚が不足して強度を確保できないおそれがある。これに対して、一体化構造では、強度不足とならずに、トルク伝達ボールのピッチ円を小さくすることができる。

シャフトにシャフト側台座と弾性部材とが配設され、この弾性部材の弾性力がシャフト側台座及び第２軸部構造部の軸受に伝達されて、前記金属球面シール外環が前記金属球面シール内環側へ押圧されて、金属球面シール外環のシール面と金属球面シール内環のシール面とを密接するように構成するのが好ましい。このように構成することによって、金属球面シール外環のシール面と金属球面シール内環のシール面との密接性の向上を図ることができ、安定したシール機能を発揮する。

本発明の等速自在継手は、内径面に複数のトラック溝が形成された外側継手部材と、外径面に複数のトラック溝が形成された内側継手部材と、外側継手部材のトラック溝と内側継手部材のトラック溝との間に介在されてトルクを伝達するトルク伝達部材とを備え、かつ、前記外側継手部材は底壁を有するマウス部を備え、前記外側継手部材のマウス部にシャフトが嵌入される等速自在継手であって、前記シール構造にて、前記外側継手部材の開口部を密封したものである。

本発明の等速自在継手によれば、等速自在継手にてトルクが伝達されている際に、金属球面シール内環と金属球面シール外環とは回転しない。このため、球面で合わさっているシール部に回転にともなう擦れが生じない。

本発明では、球面で合わさっているシール部に回転にともなう擦れが生じないので、シール機能の長寿命化が可能となる。しかも、球面シール外環及び球面シール内環が金属製であるので、過酷な使用条件下に耐えるシール構造となる。

本発明のシール構造を用いた等速自在継手の断面図である。 図１に示す等速自在継手の要部拡大断面図である。 従来のシール構造を用いた等速自在継手の断面図である。

以下本発明の実施の形態を図１と図２に基づいて説明する。図１と図２とは本発明に係る等速自在継手を示している。この等速自在継手は、内径面３１に複数（例えば、６個）のトラック溝３２が形成された外側継手部材３３と、外径面３４に複数（例えば、６個）のトラック溝３５が形成された内側継手部材３６と、前記外側継手部材３３のトラック溝３１と内側継手部材３６のトラック溝３５との間に介在してトルクを伝達するトルク伝達部材としての複数（例えば、６個）のトルク伝達ボール３７と、前記外側継手部材３３の内径面３１と内側継手部材３６の外径面３４との間に介在してボール３７を保持する保持器３８とを備える。

外側継手部材３３が、底壁４１ａを有するマウス部４１と、マウス部４１の底壁４１ａに連設されるフランジ部４２とからなる。そして、マウス部４１の内径面３１にトラック溝３２が形成されている。

内側継手部材３６は、前記トルク伝達部材としてのトルク伝達ボール３７が嵌合するトラック溝が３５形成された内輪構成部３９を有するシャフト４０にて形成される。シャフト４０は、その基端部に、外鍔部４０ａと、大径凸部４０ｂと、中径凸部４０ｃと、小径凸部４０ｄとが形成されている。

そして、外側継手部材３３の開口部、つまりマウス部４１の開口部がシール構造Ｓにて密封されている。シール構造Ｓは、凸球面状のシール面５１を有する金属球面シール内環５２と、この金属球面シール内環５２のシール面５１と相対的に摺接する凹球面状のシール面５３を有する金属球面シール外環５４とを備える。なお、金属球面シール内環５２及び金属球面シール外環５４は、耐腐食性に優れたＳＵＳ系材料が好適であるが、耐熱性を目的とする場合には機械構造用炭素鋼であってもよい。

金属球面シール内環５２は、外径面が凸球面とされて前記シール面５１を構成するリング体部５５と、このリング体部５５に連設される大径の短円筒部５６とからなり、この短円筒部５６に転がり軸受５７が嵌合されている。また、この転がり軸受５７は外側継手部材３３のマウス部４１の開口部に装着される台座（外側継手部材側台座）５８に装着されている。この場合、転がり軸受５７と外側継手部材側台座５８とで、後述する第１軸受構造部Ｍ１を構成する。

外側継手部材側台座５８は、外径面の反継手側に周方向切欠部５９ａを有する短円筒形状の本体部５９と、この本体部５９に連設される薄肉のリング部６０とからなる。そして、リング部６０に外側継手部材３３のマウス部４１の開口部が内嵌固定される。この場合、外側継手部材３３のマウス部４１の開口部外径面に周方向凹窪部４３が設けられ、この周方向凹窪部４３にリング部６０が嵌入している。

また、台座５８の内部の継手側コーナ部に球面座５８ａが設けられ、この球面座５８ａが、保持器３８の継手開口側の外径部３８ａに摺接する。また、外側継手部材３３の底壁４１ａとトラック溝３２との間のコーナ部に球面座４１ｂが設けられ、球面座４１ｂが、保持器３８の継手奥側の外径部３８ｂに摺接する。

台座５８の本体部５９の周方向切欠部５９ａに前記転がり軸受５７が嵌合している。この場合の転がり軸受５７は、外径面に軌道面６１ａが形成された内輪６１と、内径面に軌道面６２ａが形成された外輪６２と、内輪６１の軌道面６１ａと外輪６２の軌道面６２ａとの間を転動する転動体６３とを備える。このため、内輪６１が周方向切欠部５９ａに外嵌され、外輪６２が金属球面シール内環５２の短円筒部５６に内嵌されている。

ところで、金属球面シール内環５２のリング体部５５の内端面及び内径面に切欠部５５ａ、５５ｂが設けられている。このため、転がり軸受５７の内輪６１及び台座５８の本体部５９の周方向切欠部５９ａの底面との間に、隙間Ｃ１，Ｃ２が形成される。

また、金属球面シール外環５４は、お椀形状をなし、ボス部５４ａと、このボス部５４ａから延設される延設部５４ｂとからなる。そして、ボス部５４ａ及び延設部５４ｂの内面が、凹球面形状のシール面５３を構成する。

ボス部５４ａの外径面及び内径面には周方向凹部６４、６５が設けられ、そして、内径側の周方向凹部６５に転がり軸受６６が嵌着されている。すなわち、転がり軸受６６は、外径面に軌道面６７ａが形成された内輪６７と、内径面に軌道面６８ａが形成された外輪６８と、内輪６７の軌道面６７ａと外輪６８の軌道面６８ａとの間を転動する転動体６９とを備える。

転がり軸受６６は、内輪６７がシャフト４０の中間部４０ｅに嵌合され、外輪６８が金属球面シール外環５４のボス部５４ａの周方向凹部６５に嵌合されている。この場合、内輪６７は、シャフト４０に対して、シャフト軸心廻りに回転しないが、シャフト軸心方向にスライド可能となっている。例えば、シャフト４０の中間部４０ｅに雄スプライン等の凹凸部を形成し、転がり軸受６６の内輪６７の内径面にシャフト４０の中間部４０ｅの凹凸部に噛合(嵌合)する雌スプライン等の凸凹部を形成すればよい。

また、内輪６７とシャフト４０の小径凸部４０ｄとの間に介在状とされるシャフト側台座７０が配置されている。この台座７０は、外径側の肉厚リング部７０ａと、この肉厚リング部７０ａの内径面の反継手側から内径側へ延びる肉薄リング部７０ｂと、この肉薄リング部７０ｂの内径端から継手側へ突出する押圧部７０ｃとからなる。この場合、転がり軸受６６とシャフト側台座７０とで、後述する第２軸受構造部Ｍ２を構成する。

金属球面シール外環５４のボス部５４ａの外径側の周方向凹部６４に、シャフト側台座７０の肉厚リング部７０ａが嵌合して、シャフト側台座７０の押圧部７０ｃにて転がり軸受６６の内輪６７の外端面に当接した状態では、台座７０の肉厚リング部７０ａの内端面７１と、周方向凹部６４の径方向端面６４ａとの間に隙間Ｃ３が生じ、台座７０の肉厚リング部７０ａの内径面７２と、周方向凹部６４の周方向端面６４ｂとの間に隙間Ｃ４が生じ、シャフト側台座７０の肉薄リング部７０ｂの継手側の端面７３と、金属球面シール外環５４のボス部５４ａの外端面７４との間に隙間Ｃ５が生じる。

また、シャフト側台座７０とシャフト４０の外鍔部４０ａとの間に弾性部材７５が介在される。この場合、弾性部材７５は圧縮バネであり、シャフト側台座７０を継手内部側へ押圧することになる。このように、シャフト側台座７０が継手内部側へ押圧されれば、シャフト側台座７０の押圧部７０ｃにて転がり軸受６６の内輪６７の外端面６７ｂを継手内部側へ押圧することになる。転がり軸受６６の内輪６７の外端面６７ｂを継手内部側へ押圧されれば、転がり軸受６６の外輪６８の内端面６８ｂが周方向凹部６５の奥側凸部７５を継手内部側へ押圧する。これによって、金属球面シール外環５４のシール面５３が金属球面シール内環５２のシール面５１を押圧して、シール面５１、５３同士が密接する。

このため、前記のように構成された等速自在継手では、金属球面シール内環５２が、外側継手部材３３側に第１軸受構造部Ｍ１を介して外側継手部材３３との供回りが規制された状態で装着され、金属球面シール外環５４が、内側継手部材３６側に第２軸受構造部Ｍ２を介して内側継手部材３６との供回りが規制された状態で装着されることになる。ここで、第１軸受構造部Ｍ１は、転がり軸受５７と台座５８とで構成でき、第２軸受構造部Ｍ２は、転がり軸受６６と台座７０とで構成できる。このため、第１軸受構造部Ｍ１及び第２軸受構造部Ｍ２を安定して提供できる。

この等速自在継手にてトルクが伝達されている際に、金属球面シール内環５２と金属球面シール外環５４とは回転しない。従って、球面で合わさっているシール部（シール面５１とシール面５３）に回転にともなう擦れが生じず、シール機能の長寿命化が可能となる。しかも、球面シール外環５４及び球面シール内環５２が金属製であるので、過酷な使用条件下に耐えるシール構造となる。

また、図１の仮想線で示すように、等速自在継手が作動角（例えば、１５°）を取った場合においても、金属球面シール内環５２が、外側継手部材３３側に第１軸受構造部Ｍ１を介して外側継手部材３３との供回りが規制され、金属球面シール外環５４が、内側継手部材３６側に第２軸受構造部Ｍ２を介して内側継手部材３６との供回りが規制されることになる。

内側継手部材３６が、トルク伝達部材としてのボール３７が嵌合するトラック溝３５が形成された内輪構成部３９を有するシャフト４０にて形成された場合、シャフト４０と内側継手部材３６との間で、スプライン嵌合させる必要がない。このため、組み立て性の向上を図ることができる。なお、スプライン嵌合が必要であれば、トルク伝達ボールのピッチ円を小さくした場合に内側継手部材のボール溝底(トラック溝底)からスプライン間の肉厚が不足して強度を確保できないおそれがある。これに対して、一体化構造では、強度不足とならずに、トルク伝達ボールのピッチ円を小さくすることができる。

弾性部材７５が配設されるものであれば、金属球面シール外環５４の内環摺接面(シール面５３)と金属球面シール内環５２の外環摺接面(シール面５１)との密接性の向上を図ることができ、安定したシール性能を発揮する。

以上、本発明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なく種々の変形が可能であって、等速自在継手として、固定式等速自在継手であっても、摺動式等速自在継手であってもよい。また、固定式等速自在継手として、バーフィールドタイプであってもアンダーカットフリータイプであってもよく、摺動式等速自在継手として、ダブルオフセットタイプであっても、クロスグルーブタイプであっても、トリポードタイプであってもよい。なお、トリポードタイプである場合、シングルローラタイプであっても、ダブルローラタイプであってもよい。転がり軸受として、円筒ころ軸受や針状ころ軸受等であってもよいし、滑り軸受であってもよい。転がり軸受の方が抵抗が少なく最適である。

３３ 外側継手部材
３５ トラック溝
３６ 内側継手部材
３７ トルク伝達ボール
３９ 内輪構成部
４０ シャフト
５１ シール面
５２ 金属球面シール内環
５３ シール面
５４ 金属球面シール外環
５７ 転がり軸受
５８ 外側継手部材側台座
６６ 転がり軸受
７０ シャフト側台座
７５ 弾性部材
Ｍ１ 第１軸受構造部
Ｍ２ 第２軸受構造部
Ｓ シール構造

Claims (5)

1. 内径面に複数のトラック溝が形成された外側継手部材と、外径面に複数のトラック溝が形成された内側継手部材と、外側継手部材のトラック溝と内側継手部材のトラック溝との間に介在されてトルクを伝達するトルク伝達部材とを備え、かつ、前記外側継手部材は底壁を有するマウス部を備え、前記外側継手部材のマウス部にシャフトが嵌入される等速自在継手における、このマウス部とシャフトとの間の開口部を密封するシール構造であって、
   凸球面状のシール面を有する金属球面シール内環と、この金属球面シール内環のシール面と相対的に摺接する凹球面状のシール面を有する金属球面シール外環とを備え、前記金属球面シール内環が、前記外側継手部材側に第１軸受構造部を介して外側継手部材との供回りが規制された状態で装着され、前記金属球面シール外環が、前記内側継手部材側に第２軸受構造部を介して内側継手部材との供回りが規制された状態で装着されることを特徴とするシール構造。
2. 前記第１軸受構造部は、前記外側継手部材の開口部に装着される外側継手部材側台座と、この外側継手部材側台座に装着される転がり軸受とを備え、この転がり軸受を介して前記金属球面シール内環が外側継手部材側台座に装着されていることを特徴とする請求項１に記載のシール構造。
3. 前記内側継手部材は、前記トルク伝達部材が嵌合するトラック溝が形成された内輪構成部を有するシャフトにて形成され、前記第２軸受構造部は、前記シャフトに装着される転がり軸受を備え、この転がり軸受に前記金属球面シール外環が装着されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシール構造。
4. シャフトにシャフト側台座と弾性部材とが配設され、この弾性部材の弾性力がシャフト側台座及び第２軸部構造部の軸受に伝達されて、前記金属球面シール外環が前記金属球面シール内環側へ押圧されて、金属球面シール外環のシール面と金属球面シール内環のシール面とを密接することを特徴とする請求項３に記載のシール構造。
5. 内径面に複数のトラック溝が形成された外側継手部材と、外径面に複数のトラック溝が形成された内側継手部材と、外側継手部材のトラック溝と内側継手部材のトラック溝との間に介在されてトルクを伝達するトルク伝達部材とを備え、かつ、前記外側継手部材は底壁を有するマウス部を備え、前記外側継手部材のマウス部にシャフトが嵌入される等速自在継手であって、
   前記請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のシール構造にて、前記外側継手部材の開口部を密封したことを特徴とする等速自在継手。

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