JPH11101256A - 等速ジョイント - Google Patents
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Abstract
とともに、とくに高作動角時の外輪2の強度を高める。 【解決手段】 外輪2の大端面26に開口したトラック溝
24の端部に、ボール組込みのためのカット部28a ,28b
を設けることにより、大端面26の位置を後退させること
なくボールの組込みが可能となるので、外輪2の入口部
の強度が増し、しかも、ケージ5のボール組入れ角αを
小さくできるためケージ5のポケット柱部58の幅を増し
てケージ5の強度もアップする。
Description
業機械の動力伝達系で使用される、駆動側の回転軸と従
動側の回転軸とがどのような角度(作動角)をとっても
滑らかにトルク伝達を行えるようにした等速ジョイント
のうち、軸方向スライド(プランジング)をしないタイ
プのいわゆる固定式等速ジョイントに関し、より詳しく
は、外輪の大端面に開口するトラック溝の端部形状を改
良したものである。
ョイント(1)では外輪(2)の球形内面(22)にトラ
ック溝(24)を形成し、内輪(3)の球形外面(32)に
トラック溝(34)を設け、外輪(2)のトラック溝(2
4)と内輪(3)のトラック溝(34)との間にボール
(4)を組み込み、外輪(2)と内輪(3)との間に組
み込まれたケージ(5)にボール(4)を収容するポケ
ット(56)を設けてある。
図9に示すように、外輪(2)の開口端における内径
(D1)がケージ(5)の外径(D2)より小さいため、外
輪(2)内に内輪(3)およびケージ(5)を組み込ん
だ後、内輪(3)およびケージ(5)を傾け、ケージ
(5)のポケット(56)の1つを外輪(2)の開口端か
ら外側に臨ませた状態で、そのポケット(56)内にボー
ル(4)を組み込む必要がある。なお、外輪(2)に対
する内輪(3)およびケージ(5)の組込みは、まず、
図10に示すように、内輪(3)とケージ(5)とを9
0°傾け、その状態でケージ(5)内に内輪(3)を挿
入した後、ケージ(5)の軸心と内輪(3)の軸心とが
一致する方向に両部品を相対的に90°回転させてケー
ジ(5)内に内輪(3)を組み込む。次に、図11に示
すように、ケージ付き内輪(3)と外輪(2)とを相対
的に90°傾け、外輪(2)内にケージ付き内輪(3)
を挿入した後、外輪(2)と内輪(3)の軸心が一致す
る方向に両部品を90°傾けて外輪(2)内にケージ付
き内輪(3)を組み込む。
いては、作動角(θ)をとって外輪(2)と内輪(3)
の相互間でトルクを伝達するとき(図7、図8)、ボー
ル(4)はポケット(56)内においてケージ(5)の円
周方向に移動する。そのボール(4)の移動量は作動角
(θ)に比例して大きくなる。外輪(2)に対するケー
ジ(5)の傾き角度は、図9に示すようなボール(4)
の組込み時に最大となり(このときの角度をボール組入
れ角と呼ぶ。)、この時のボール(4)の移動量を基準
としてポケット(56)の周方向の長さを決定する必要が
ある。それゆえ、ボール組入れ角が大きくなるほど、隣
り合ったポケット(56)間の柱部(58)の幅(円周方向
寸法)が小さくなり、ケージ(5)の内・外の球面(5
2,54)の面積も小さくなるという関係にある。
等速ジョイントは、例えば前輪駆動車の駆動軸に使用さ
れる場合、デフ側にスライド式等速ジョイントを配置
し、車輪側に固定式等速ジョイントを配置して、両者を
シャフトで連結している。固定式等速ジョイントはハン
ドルのステアリングの動きと連動し、車輪と同じ動きを
するため、高作動角で作動する必要がある。このように
固定式等速ジョイントは高作動角で回転、トルクを伝達
するため、十分な剛性と強度および耐久性が要求され
る。したがって、固定式等速ジョイント(1)の外輪
(2)、内輪(3)、ボール(4)、ケージ(5)は浸
炭、高周波等の熱処理により硬化して使用される。通
常、高角作動時の固定式等速ジョイント(1)の最も弱
い部品はケージ(5)である。ケージ(5)は高角にな
るにつれて外輪(2)の球形内面(22)、内輪(3)の
球形外面(32)からオーバーハングする部分が増加し
(図7、図8)、さらにボール(4)の軸力が増加する
ため、ケージ(5)は高角になると急激に強度が低下す
る。
るが、その対策として車両の軽量化が最も有力な手段で
あり、等速ジョイントも軽量・コンパクト化が強く望ま
れている。固定式等速ジョイント(1)の軽量・コンパ
クト化にあたっては、高角作動時の最弱部品であるケー
ジ(5)の高強度化が必須である。この対策として、材
料の高強度化や、熱処理による高強度化等が提案されて
いるが、いずれもコストの増加を伴うという問題があ
る。ケージ(5)の肉厚を増せば強度はアップするもの
の、内・外輪(3,2)のトラック溝深さが減少するこ
とになるため、許容負荷トルクが低下し、耐久性が著し
く低下するという不合理を起こす。また、ケージ(5)
の破断が起きやすい部位はボール(4)の入るポケット
(56)とポケット(56)の間の柱部(58)である。それ
ゆえ、柱部(58)の幅を増加させれば強度は向上する。
このためには、ボール径を小さくする、ボールのPCD
を大きくすることなどが考えられるが、前者はジョイン
トの耐久性を低下させ、後者はジョイント外径が大きく
なるなど、いずれも好ましくない。
(1)における外輪(2)のトラック溝(24)入口部分
を示す。トラック溝(24)の入口部は、最大作動角
(θ)をとった時にシャフト(36)により規定される円
錐面(27)で切られており(図7、図8参照)、大端面
(26)の位置は、トラック溝切り口断面を含む円錐面
(27)の外にあった。しかし、ボール(4)のPCDを
小さくするなどしてコンパクト化を実現しようとすると
き、特に多数個(7個以上)のボールを有する場合に
は、ケージ(5)の柱部(58)の幅を確保する必要性か
ら、ボール(4)の組込みのためのボール組入れ角
(α)を従来より小さく設定しなければならない。しか
るに、図13に示すように、ボール組入れ角(α)を小
さくすると(α1 >α2 )、円錐面(27)のトラック溝
切り口断面の途中の位置に大端面(26)を設定しなけれ
ばいけなくなる。つまり、外輪(2)の大端面(26)が
従来よりも後退することになる(A1 >A2 )。これ
は、このようなコンパクト化を狙った外輪形状のもの
は、従来のものに比べて、高作動角時の外輪強度が落ち
てしまうことを意味する。
性の低下を招くことなくケージの高強度化を達成するこ
とにある。また、この発明は、コンパクト化を実現する
とともに、とくに多数個ボールの等速ジョイントの外輪
の高作動角時の強度を向上させることを技術的課題とす
るものである。
トは、複数のトラック溝を形成した球状内面を備えた外
輪と、複数のトラック溝を形成した球状外面を備えた内
輪と、外輪のトラック溝と内輪のトラック溝との間に配
置したボールと、外輪の球状内面と内輪の球状外面との
間に介在しボールを収容するポケットを備えたケージと
を具備してなり、外輪の大端面に開口したトラック溝の
端部に、ボール組込みのためのカット部を設けたことを
特徴とする(請求項1)。すなわち、この発明は、外輪
の大端面に開口するトラック溝の端部形状を工夫して、
外輪の大端面の位置を後退させることなく、場合によっ
ては大端面の位置を延長しつつ、ボールの組込みを可能
ならしめるものである。
カット部を外輪の全周にわたって設けてもよく(請求項
2)、あるいは、溝状のカット部をトラック溝の溝底部
のみに設けてもよい(請求項3)。後者の場合、さら
に、ジョイント組立て過程のボール組込み時にケージの
ボール組入れ角が低く規制されているトラック溝のみに
カット部を設けることもできる(請求項4)。
に設けるときは、その断面形状は円形または楕円形とし
(請求項5)、軸方向断面形状はストレートまたは円弧
とするのが好ましい(請求項6)。
きるが、外輪の鍛造の過程に同時に成形するようにすれ
ば経済的であり、材料歩留まりもよい(請求項7)。
別の形態として、外輪の大端面におけるトラック溝の軸
方向断面形状を、ジョイントの許容作動角範囲外の点か
ら軸方向でかつ外径側に拡張した形状とすることもでき
る。
うことなく増加させるためには、ポケットの周方向長さ
を減少させることが必要である。その周方向長さは、等
速ジョイントの組立上の要請により定まる。すなわち、
外輪、内輪、ケージ、ボールを組み立てる際、最後のボ
ールを組み入れる時に大きな作動角(ボール組入れ角)
が必要となるが、これを許容するために十分な周方向長
さが必要である。等速ジョイントが角度を取るとそれぞ
れのボールの位置はポケットに対して円周方向に進んだ
り遅れたりする。ボール組入れ角が大きくなるほどボー
ルの円周方向移動量は増加する。最後のボールを組み込
む時、このボールの両隣のボールの位置がポケットに対
して円周方向に最大の移動をし、ボールとポケットの柱
部との干渉が生じる。したがって、最後のボールを組み
込むためのボール組入れ角を低下させることができれば
両隣のボールと柱部との干渉が生じなくなり、ポケット
の周方向長さを減少でき、その結果、柱部の断面積が増
加する。
作動角よりも10〜30(deg)大きい。したがっ
て、ボールの組込みを可能にする必要上、ポケットの周
方向長さは実際に自動車に取り付けて使用されるときに
必要な長さより長くしておかなければならないのであ
る。逆に、ボール組入れ角を減少させることができれば
ポケットの周方向長さを低減でき、柱部の断面積を増加
させることができる。このボール組入れ角を減少させる
ための方策として、ボールを組み込む時ボールと干渉す
る外輪のトラック溝入口端面を径方向に拡張させる。こ
れにより、ボールの外輪との干渉点が大端面より奥側に
移動するため、ボール組入れ角を減少させてポケットの
周方向長さを減少させ、それに対応して柱部断面積を増
加させる。このようにトラック溝の入口部を軸方向に拡
張する場合、ジョイントの許容作動角範囲以上の点を拡
張の開始点とする。
ボール数が7以上の場合にも適用でき、ボール数が多く
なるほどその効果は顕著なものとなる。
がら基本的構成を説明すると、等速ジョイント(1)は
外輪(2)、内輪(3)、ボール(4)、ケージ(5)
を主要な構成要素としている。
と、連結すべき2軸のうちの一方と結合するためのアク
スル部(2b)とを備えている。マウス部(2a)は内部に
球形内面(22)を備え、この球形内面(22)の円周方向
等間隔位置に、外輪(2)の軸方向に延びた複数のトラ
ック溝(24)が形成されている。トラック溝(24)の縦
断面形状は、外輪(2)の軸線(X)上に曲率中心(O
A)をもった円弧である。トラック溝(24)の外端はマ
ウス部(2a)の大端面(26)に開口している。
すなわちここではシャフト(36)とスプライン結合し、
その球形外面(32)に、外輪(2)のトラック溝(24)
と同数の、内輪(3)の軸方向に延びたトラック溝(3
4)が形成されている。トラック溝(34)の縦断面形状
は内輪(30)の軸線(Y)上に曲率中心(OB)をもった
円弧である。
(3)のトラック溝(34)とは対をなし、各対のトラッ
ク溝(24,34)間にボール(4)が組み込まれて内・外
輪間でトルクを伝達する。トラック溝(24,34)の横断
面形状はゴシックアーチ状で(図4(B)参照)、ボー
ル(4)とアンギュラコンタクトをなす。
(2)のトラック溝(24)の曲率中心(OA)と内輪
(3)のトラック溝(34)の曲率中心(OB)は、ジョイ
ント中心(O:外輪の球形内面、内輪の球形外面の曲率
中心でもある。)から左右に等距離オフセットしてい
る。したがって、各対のトラック溝(24,34)で構成さ
れるボールトラックは、軸方向の一方から他方へ向かっ
て徐々に広がったくさび状を呈する。図7、図8のよう
に固定式等速ジョイント(1)が作動角(θ)をとった
状態でトルク伝達を行うと、くさび状のボールトラック
の狭い方から広い方へ向けてボール(4)を移動させよ
うとする軸力がボール(4)に作用する。この軸力によ
ってボール(4)は作動角(θ)の二等分線に垂直な平
面(P)に配向せしめられ、固定式等速ジョイント
(1)で連結された2軸間の等速性が確保される。
間に介在し、すべてのボール(4)を常に上記平面
(P)に保持する役割を果たす。ケージ(5)は、外輪
(2)の球形内面(22)と球面接触する球形外面(52)
と、内輪(3)の球形外面(32)と接する球形内面(5
4)を備え、ケージ(5)の円周方向等間隔位置にボー
ル(4)を収容するためのポケット(56)が形成されて
いる。ケージ(5)の軸方向におけるポケット(56)の
寸法は、通常、ボール(4)に対して適度の締め代を与
える程度とされる。ポケット(56)の周方向長さは、図
9に関連して既に述べたように、外輪(2)とケージ
(5)とを相対的に傾斜させ、ポケット(56)を外輪
(2)の開口端から外部に臨ませるボール組込み時のボ
ールの周方向の移動量を考慮してそのボール(4)が干
渉しない程度の長さとされている。このポケット(56)
の周方向長さと取り合いの関係にあるのが、隣り合った
ポケット(56)間の柱部(58)の幅である。
に変わるところはない。
(26)の位置を後退させることなく、ケージ(5)のボ
ール組入れ角(α)を小さくし(α1 >α2 )、かつ、
ボール(4)の組み込みを可能にした本発明の実施の形
態を示す。
を従来よりも延長するとともに(A1<A3)、外輪(2)
の全周にわたり環状のカット部(28a:図1(A)斜線
部)を設けてボール(4)が組み込めるようにした場合
を示している。ケージ(5)のボール組入れ角(α)が
従来よりも小さいため(α1 >α2 )、ケージ(5)の
柱部(58)の幅をそれに対応して増大させることがで
き、ケージ(5)の強度がアップする。また、外輪
(2)の大端面(26)が従来よりも延長されているの
で、とくに高角時の外輪(2)の強度がアップする。カ
ット部(28a)は外輪(2)を型鍛造により成形する過
程に同時に成形することも可能であるが、旋削加工を採
用すれば安価に実施をすることができる。
ラック底部に、ボール径より若干大きい、ボール組込み
のための溝状のカット部(28b)を設けた場合を示して
いる。この場合、上述のように全周にわたって肉を除去
するのに比べて、さらに外輪(2)の強度アップが図れ
る。加工方法としては、ドリル加工により各トラック溝
(24)毎に円筒溝状のカット部(28b)を付けるか、あ
るいは、鍛造により、トラック溝(24)の成形時に円筒
溝状のカット部(28b)を同時に成形する。前者のドリ
ル加工はコストが高いが、後者は外輪(2)を型鍛造で
加工する過程で同時に成形するため追加のコストがかか
らず、材料歩留まりもよいという利点がある。
形する場合の問題点として、成形工具の、トラック溝
(24)とカット部(28b)とのつなぎ部に対応する部分
に、鍛造時応力が集中し、工具の寿命が短くなるおそれ
がある。そこで、図3に示すように、トラック溝(24)
とカット部(28b)のつなぎ部にチャンファー(29)を
設け、さらに、カット部(28b)の軸方向形状をストレ
ートから円弧形状(Bは曲率半径を表す。)とすること
によって、工具寿命の長い鍛造形状となる。
4)毎にその端部にカット部を設ける場合の変形例であ
って、図8に示されるタイプの等速ジョイントを対象と
している。図8の等速ジョイントでは、外輪(2)およ
び内輪(3)のトラック溝(24,34)の、ジョイント中
心(O)よりも外輪(2)のマウス部(2a)開口端側の
部分を、ストレートにしてアンダーカットをなくし、こ
れにより図7のものよりもさらに高作動角がとれるよう
にしてある。
方策として、ボール(4)を組み込む時ボール(4)と
干渉する外輪(2)のトラック溝(24)の入口端部を径
方向に拡張させる(m→m’)。これにより、ボール
(4)は干渉することなくトラック溝(24)の奥方向に
入ることが可能となるので、ボール組入れ角(α)を減
少させてケージ(5)のポケット(56)の周方向長さを
減少させ、それに対応して柱部(58)の断面積を増加さ
せ得る。この場合、拡張の起点となる軸方向位置
(n’)は、等速ジョイント(1)が最大作動角(θ)
をとった時に最も軸方向外側に位置するボール(4)と
トラック溝(24)との接点(n)を通る位置に設定す
る。そして、図4(A)(C)に示すように、最大作動
角(θ)にてシャフト(36)と干渉する円錐面(27)の
大端面(26)との交点(m)を点m’まで拡張するので
ある。
鍛造、機械加工、熱処理(高周波、浸炭)、研削加工、
組立工程を経る。外輪(2)のトラック溝(24)は鍛造
のみで仕上げるものと鍛造後機械加工で仕上げるものが
ある。鍛造のみで仕上げる場合、容易に鍛造で仕上げる
ことが可能であり、コストの増加は生じない。もちろん
機械加工で加工することも容易である。
方法として外輪(2)の大端面(26)をマウス部(2a)
の奥側へ後退させることも考えられるが、許容作動角時
の接触点と近づくため、外輪の強度が著しく低下し、ジ
ョイントの機能を低下させることになり得策とはいえな
いことは図13に関連して既に述べたとおりである。。
の組立ては、図9〜図11に従って既に述べた従来の場
合と同様であるため、説明を省略する。
(58)の断面積を大幅に増加でき、ケージ(5)の高強
度化が可能となり、従来のケージの肉厚よりも大幅に径
方向に減少可能となり、固定式等速ジョイントの軽量・
コンパクト化が可能となり、さらに、コンパクト化に伴
って材料、加工費も低減する。
は外輪(2)の強度がアップした。このことを検証する
ための試験結果を表1および図5に示す。表1は、FE
M解析による8個ボールタイプのBJ外輪の応力計算結
果を示す。結果は、図12に示す従来のものの最大主応
力を100としたとき、環状のカット部を設けた図1の
実施の形態では77、溝状のカット部を設けた図2の実
施の形態では66であり、それぞれ20%以上の応力低
減が達成されたことがわかる。なお、作動角θ=40°
の条件で、いずれの場合も最大応力が生じるのはボール
が大端面に一番近づいているトラックである。
ョイントの作動角θ=40°における片振りねじり疲労
試験の結果のグラフであって、縦軸に負荷トルクをと
り、横軸に繰り返し回数をとって、種々の負荷トルクに
つき、損傷が生ずるまでの繰り返し回数を測定した結果
を示している。損傷形態はいずれも外輪のトラック底入
口付近からの割れである。図中、破線は図12の従来例
の場合で、鎖線と実線が本発明による場合を示し、鎖線
は環状のカット部を設けた図1の実施の形態、実線は溝
状のカット部を設けた図2の実施の形態に対応する。本
発明によれば疲労強度も従来に比べて格段に向上してい
ることがわかる。
断面図である。
は縦断面図である。
(B)は縦断面図である。
(B)は外輪トラック溝の横断面図、(C)は斜視図で
ある。
ある。
B−B断面図である。
断面図である。
断面図である。
る。
ある。
縦断面図である。
面図である。
面図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 複数のトラック溝を形成した球状内面を
備えた外輪と、複数のトラック溝を形成した球状外面を
備えた内輪と、外輪のトラック溝と内輪のトラック溝と
の間に配置したボールと、外輪の球状内面と内輪の球状
外面との間に介在しボールを収容するポケットを備えた
ケージとを具備してなり、外輪の大端面に開口したトラ
ック溝の端部に、ボール組込みのためのカット部を設け
たことを特徴とする等速ジョイント。 - 【請求項2】 環状のカット部を外輪の全周にわたって
設けた請求項1の等速ジョイント。 - 【請求項3】 溝状のカット部をトラック溝の溝底部の
みに設けた請求項1の等速ジョイント。 - 【請求項4】 ジョイント組立て過程のボール組込み時
にケージのボール組入れ角が低く規制されているトラッ
ク溝のみに前記カット部を設けた請求項3の等速ジョイ
ント。 - 【請求項5】 前記カット部の断面形状が円形または楕
円形である請求項3または4の等速ジョイント。 - 【請求項6】 前記カット部の軸方向断面形状がストレ
ートまたは円弧である請求項3または4の等速ジョイン
ト。 - 【請求項7】 前記カット部が鍛造により成形されてい
る請求項1,2,3,4,5または6の等速ジョイン
ト。 - 【請求項8】 外輪の大端面におけるトラック溝の軸方
向断面形状が、ジョイントの許容作動角範囲外の点から
軸方向でかつ外径側に拡張した形状を有する請求項3の
等速ジョイント。
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