WO2017082068A1 - 摺動式等速自在継手 - Google Patents

Abstract

カップ状の外側継手部材１１と、外側継手部材１１に収容され、外側継手部材１１との間でボール１３を介して軸方向変位および角度変位を許容しながらトルクを伝達する内側継手部材１２とを備え、内側継手部材１２にシャフト１５をトルク伝達可能に結合させた摺動式等速自在継手であって、シャフト１５の外周面に軸方向に延びる複数の凸部を形成すると共に、内側継手部材１２の内周面に凸部と締め代を有する凹部を形成し、シャフト１５を内側継手部材１２に圧入して凸部の形状を内側継手部材１２の凹部形成面に転写することにより、凸部と凹部との嵌合接触部位全域が密着する凹凸嵌合部４５を具備し、凹凸嵌合部４５での接合力よりも大きな軸方向荷重により、内側継手部材１２に対してシャフト１５を軸方向変位可能とする。

Description

摺動式等速自在継手

　本発明は、自動車や各種産業機械などの動力伝達系に使用され、特に、自動車用プロペラシャフトに組み込まれる摺動式等速自在継手に関する。

　自動車のエンジンから車輪に回転力を等速で伝達する手段として使用される等速自在継手には、固定式等速自在継手と摺動式等速自在継手の二種がある。これら両者の等速自在継手は、駆動側と従動側の二軸を連結してその二軸が作動角をとっても等速で回転トルクを伝達し得る構造を備えている。

　４ＷＤ車やＦＲ車などの自動車に組み込まれるプロペラシャフトは、トランスミッションとディファレンシャル間の相対位置変化による軸方向変位と角度変位に対応できる構造とするために摺動式等速自在継手を具備する。プロペラシャフトは、摺動式等速自在継手と鋼製の管状部材との組み合わせで構成され、車両進行方向に対して略平行に車両に取り付けられる。

　摺動式等速自在継手は、外側継手部材、内側継手部材、複数のボールおよびケージを備え、内側継手部材から延びて外側継手部材の開口部から突出するシャフトが結合されている。内側継手部材、ボールおよびケージは外側継手部材の内部に収容されている。シャフトは、内側継手部材の軸孔にスプライン嵌合によりトルク伝達可能に連結されている。シャフトは、止め輪により内側継手部材に対して抜け止めされている。

　外側継手部材の内部空間には潤滑剤を封入されている。これにより、外側継手部材に対してシャフトが作動角をとりながら回転する作動時において、継手内部の摺動部位での潤滑性を確保している。外側継手部材の一方の開口端部とシャフトとの間には、継手外部からの異物侵入や継手内部からの潤滑剤漏洩を防止するためのブーツが装着されている。

　一方、外側継手部材の他方の開口端部には、鋼製の管状部材が摩擦溶接やアーク溶接などの接合によって同軸的に連結固定されている。また、この外側継手部材の他方の開口端部には、継手外部からの異物侵入や継手内部からの潤滑剤漏洩を防止するため、外側継手部材の内周面にシールプレートが嵌着されている。

　以上の構成からなるプロペラシャフト用等速自在継手では、例えば車両衝突などにより生じたトランスミッションとディファレンシャル間の相対位置変化による軸方向変位を吸収する緩衝機構を設けるようにしている。

　この緩衝機構として、車両衝突時の軸方向荷重により、シールプレートを打ち抜き、内側継手部材、ボールおよびケージからなる内部部品を外側継手部材に対して軸方向にスライドオーバーさせて管状部材の内部に入り込ませるようにしている。これにより、車体に生じる衝撃を低減させて安全性の向上を図っている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３９５８６２１号公報

　ところで、特許文献１で開示された等速自在継手では、内側継手部材とシャフトとが止め輪などの抜け止め部品を用いることにより軸方向に強固に締結され、内側継手部材およびシャフトが外側継手部材に対して一体となって軸方向にスライド自在となっている。

　このように、内側継手部材およびシャフトを外側継手部材に対して一体となって軸方向にスライド自在とした構造を採用していることから、車両衝突時に軸方向荷重が負荷された場合、内側継手部材、ボールおよびケージからなる内部部品が一体となってシールプレートを打ち抜くことになる。

　そのため、シールプレートの外径を内部部品よりも必然的に大きくせざるを得ない。その結果、等速自在継手の設計自由度が低い。また、前述したように、シールプレートの外径が大きくなることから、外側継手部材の開口端部に同軸的に連結固定される管状部材についても、シールプレートと共に内部部品を入り込ませるために内径を大きくせざるを得ない。この点でも、等速自在継手の設計自由度が低くなって適用範囲が制限される。

　以上のように、内部部品が一体となってシールプレートを打ち抜くことにより、車両衝突時の軸方向荷重を吸収する緩衝機構を採用していることから、シールプレートおよび管状部材からなる緩衝機構の周辺設計によっては、車両衝突時に軸方向荷重が負荷された場合、安定した軸方向強度を確保することが困難となる。

　そこで、本発明は前述の課題に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、車両衝突時の軸方向荷重に対して安定した軸方向強度を確保すると共に、緩衝機構の設計自由度を高めることができる摺動式等速自在継手を提供することにある。

　本発明に係る摺動式等速自在継手は、カップ状の外側継手部材と、その外側継手部材に収容され、外側継手部材との間でトルク伝達部材を介して角度変位を許容しながらトルクを伝達する内側継手部材とを備え、その内側継手部材に軸状部材をトルク伝達可能に結合させた構造を具備する。

　前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、軸状部材の外周面に軸方向に延びる複数の凸部を形成すると共に、内側継手部材の内周面に凸部と締め代を有する凹部を形成し、軸状部材を内側継手部材に圧入して凸部の形状を内側継手部材の凹部形成面に転写することにより、凸部と凹部との嵌合接触部位全域が密着する凹凸嵌合部を具備し、その凹凸嵌合部での接合力よりも大きな軸方向荷重により、内側継手部材に対して軸状部材を軸方向変位可能としたことを特徴とする。

　本発明では、軸状部材の外周面に軸方向に延びる複数の凸部を形成すると共に、内側継手部材の内周面に凸部と締め代を有する凹部を形成し、軸状部材を内側継手部材に圧入して凸部の形状を内側継手部材の凹部形成面に転写することで、凸部と凹部との嵌合接触部位全域が密着する凹凸嵌合部を具備したことにより、内側継手部材と軸状部材とは凹凸嵌合部での接合力で軸方向に安定的に接合されている。このことから、車両衝突時に軸方向荷重が負荷された場合、安定した軸方向強度を確保することができる。

　また、凹凸嵌合部での接合力よりも大きな軸方向荷重により、内側継手部材に対して軸状部材を軸方向変位可能としたことにより、車両衝突時に軸方向荷重が負荷された場合、内側継手部材に対して軸状部材が軸方向に変位する。このことから、車両衝突時の軸方向荷重を吸収する緩衝機構の設計自由度を高めることが容易となる。さらに、この緩衝機構では、従来のように、内側継手部材に対して軸状部材を抜け止めする止め輪等の抜け止め機構が不要となる点でも、等速自在継手の設計自由度を高めることができる。

　本発明において、外側継手部材の底部は、軸状部材の外径より大きく、かつ、内側継手部材の外径よりも小さい貫通孔を形成すると共に貫通孔にシールプレートを嵌着し、貫通孔と連通する管状部材を接合した構造を備え、軸状部材の軸方向変位により、シールプレートを貫通孔から離脱させて管状部材に侵入可能とした構造が望ましい。

　このような構造を採用すれば、車両衝突時に軸方向荷重が負荷された場合、内側継手部材に対して軸方向変位する軸状部材がシールプレートを貫通孔から打ち抜く。この貫通孔から打ち抜かれたシールプレートは管状部材に侵入することになる。このように、シールプレートは軸状部材のみによって打ち抜かれることから、そのシールプレートの外径および管状部材の内径についても高い設計自由度を確保することができる。

　本発明によれば、軸状部材の外周面に軸方向に延びる複数の凸部を形成すると共に、内側継手部材の内周面に凸部と締め代を有する凹部を形成し、軸状部材を内側継手部材に圧入して凸部の形状を内側継手部材の凹部形成面に転写することで、凸部と凹部との嵌合接触部位全域が密着する凹凸嵌合部を具備したことにより、車両衝突時に軸方向荷重が負荷された場合、安定した軸方向強度を確保することができる。

　また、凹凸嵌合部での接合力よりも大きな軸方向荷重により、内側継手部材に対して軸状部材を軸方向変位可能としたことにより、車両衝突時の軸方向荷重を吸収する緩衝機構の設計自由度を高めることが容易となる。このようにして、等速自在継手の設計自由度を高めることができるので、製作が容易で信頼性の高い緩衝機構を装備した摺動式等速自在継手を実現することができる。

本発明の実施形態で、摺動式等速自在継手であるダブルオフセット型等速自在継手の全体構成を示す断面図である。 図１のＡ－Ａ線に沿う断面図である。 図２のＸ部を示す拡大断面図である。 図１のケージが外側継手部材の底部に当接した状態を示す断面図である。 図４の状態からシャフトがシールプレートを打ち抜いた状態を示す断面図である。 図１の内側継手部材が外側継手部材の底部に当接した状態を示す断面図である。 図６の状態からシャフトがシールプレートを打ち抜いた状態を示す断面図である。

　本発明に係る摺動式等速自在継手の実施形態を図面に基づいて以下に詳述する。

　以下の実施形態では、例えば、自動車用プロペラシャフトに組み込まれる摺動式等速自在継手の一つであるボールタイプのダブルオフセット型等速自在継手（ＤＯＪ）を例示する。なお、本発明は、他の摺動式等速自在継手としてローラタイプのトリポード型等速自在継手（ＴＪ）にも適用可能である。

　自動車に組み込まれるプロペラシャフトは、トランスミッションとディファレンシャル間の相対位置変化による軸方向変位と角度変位に対応できる構造とするために摺動式等速自在継手を具備する。プロペラシャフトは、摺動式等速自在継手と鋼製の管状部材との組み合わせで構成され、車両進行方向に対して略平行に車両に取り付けられる。

　この実施形態の摺動式等速自在継手（以下、単に等速自在継手と称す）は、図１に示すように、カップ状の外側継手部材１１と、内側継手部材１２と、複数のボール１３と、ケージ１４とを備え、内側継手部材１２から延びて外側継手部材１１の開口部から突出する軸状部材であるシャフト１５が内側継手部材１２に結合されている。

　外側継手部材１１は、軸方向に延びる直線状トラック溝１６が円筒状内周面１７の円周方向複数箇所に等間隔で形成されている。内側継手部材１２は、外側継手部材１１のトラック溝１６と対をなして直線状トラック溝１８が球面状外周面１９の円周方向複数箇所に等間隔で形成されている。

　ボール１３は、外側継手部材１１のトラック溝１６と内側継手部材１２のトラック溝１８との間に介在する。このボール１３は、外側継手部材１１と内側継手部材１２との間で回転トルクを伝達する。ケージ１４は、外側継手部材１１の内周面１７と内側継手部材１２の外周面１９との間に介在する。このケージ１４は、ボール１３を保持する複数のポケット２０が円周方向複数箇所に等間隔で形成されている。

　シャフト１５は、内側継手部材１２の軸孔２１に圧入されて後述の凹凸嵌合部４５によりトルク伝達可能に連結されている。内側継手部材１２、ボール１３およびケージ１４は、外側継手部材１１の内部に収容されて内部部品を構成する。

　また、外側継手部材１１の開口端部の内周面に環状溝２２を設け、その環状溝２２にサークリップ２３を嵌着した構造としている。このような抜け止め機構により、内部部品の軸方向変位時、ボール１３がサークリップ２３と干渉することで内部部品の軸方向変位量を規制してスライドオーバーを防止している。

　以上の構成からなる等速自在継手では、シャフト１５により外側継手部材１１と内側継手部材１２との間に作動角が付与されると、ケージ１４に保持されたボール１３は常にどの作動角においても、その作動角の二等分面内に維持され、外側継手部材１１と内側継手部材１２との間での等速性が確保される。外側継手部材１１と内側継手部材１２との間では、等速性が確保された状態で回転トルクがボール１３を介して伝達される。

　この等速自在継手では、外側継手部材１１の内部空間に潤滑剤を封入することにより、外側継手部材１１に対してシャフト１５が作動角をとりながら回転する作動時において、継手内部の摺動部位での潤滑性を確保するようにしている。一方、等速自在継手は、継手内部に封入された潤滑剤の漏洩を防ぐと共に継手外部からの異物侵入を防止するため、外側継手部材１１の開口端部とシャフト１５との間にシール機構を装着すると共に、外側継手部材１１の底部２４にシールプレート２５を装着した構造を具備する。

　シール機構は、樹脂製またはゴム製のブーツ２６と金属製のブーツアダプタ２７とからなる。ブーツ２６は、小径端部２８と大径端部２９を有して中間でＵ字状に折り返した形状をなす。ブーツアダプタ２７は略円筒形で、基端部３０が外側継手部材１１の開口端部の外周面に嵌合されている。ブーツ２６の大径端部２９は、ブーツアダプタ２７の先端部３１に加締めて保持されている。ブーツ２６の小径端部２８は、シャフト１５の外周面にブーツバンド３２により締め付け固定されている。

　一方、シールプレート２５は、有底筒状部３３の開口端部にフランジ部３４を一体的に形成した金属製部材である。このシールプレート２５は、外側継手部材１１の底部２４に形成された貫通孔３５を閉塞するように取り付けられている。つまり、シールプレート２５の有底筒状部３３を貫通孔３５に嵌合させると共にフランジ部３４を底部２４の外側端面に当接させた構造を具備する。このような構造を採用することにより、シールプレート２５を軸方向外側（図示右側）に離脱可能に底部２４に取り付けている。

　さらに、外側継手部材１１の底部２４を軸方向に延在させ、その延在端部３６に鋼製の管状部材３７を摩擦溶接やアーク溶接などの接合によって同軸的に連結固定している。図１では、管状部材３７を摩擦溶接によって連結した場合を例示する。外側継手部材１１の延在端部３６と管状部材３７との接合部分には、摩擦溶接によりカール部３８が形成されている。なお、管状部材３７はフランジ接合により連結した構造であってもよい。

　図１に示す実施形態の等速自在継手において、内側継手部材１２とシャフト１５とは、以下のような構造でもって結合されている。図２は図１のＡ－Ａ線に沿う断面図であり、図３は図２のＸ部の拡大図である。

　図２および図３に示すように、シャフト１５の軸端部３９の外周面に、軸方向に延びる複数の凸部４０からなる雄スプラインを形成する。これに対して、内側継手部材１２の軸孔２１の内周面に、前述の凸部４０に対して締め代ｎを有する複数の凹部４１（図３の破線参照）を円周方向等間隔に形成する。

　ここで、凹部４１の周方向寸法を凸部４０よりも小さく設定している。これにより、凹部４１が凸部４０の周方向側壁部４２のみに対して締め代ｎを有する。また、凹部４１の径方向寸法を凸部４０よりも大きく設定している。これにより、凸部４０の周方向側壁部４２を除く部位、つまり、凸部４０の径方向先端部４３と凹部４１との間に隙間ｐを有する。

　以上のような構造において、シャフト１５の軸端部３９を内側継手部材１２の軸孔２１に圧入する。この圧入により、凸部４０の周方向側壁部４２により軸孔２１の凹部形成面を極僅かに切削加工し、凸部４０の周方向側壁部４２による凹部形成面の極僅かな塑性変形や弾性変形を付随的に伴いながら、その凹部形成面に凸部４０の周方向側壁部４２の形状が転写された凹部４４が形成される。この時、締め代ｎの設定によっては、切削加工を伴わない圧入嵌合とすることも可能である。切削加工にて圧入する場合には、切り粉が発生するためシャフトスプラインに切り粉を収納する溝を設ける。

　この時、凸部４０の周方向側壁部４２が凹部形成面に食い込んでいくことによって内側継手部材１２の内径が僅かに拡径した状態となって、凸部４０の軸方向の相対的移動が許容される。この凸部４０の軸方向相対移動が停止すれば、内側継手部材１２の軸孔２１が元の径に戻ろうとして縮径することになる。これによって、凸部４０と凹部４４との嵌合接触部位全域で密着した凹凸嵌合部４５を形成する。

　このようにして、内側継手部材１２とシャフト１５とを接合一体化する。前述の凹凸嵌合部４５では、凸部４０の圧入箇所に、締め代ｎを有する凹部４１を予め形成している。このことから、小さな圧入荷重でもって、内側継手部材１２の軸孔２１にシャフト１５の軸端部２１を圧入することができ、内側継手部材１２にシャフト１５を簡易に組み付けることが可能となる。

　以上の構成からなる等速自在継手が組み付けられたプロペラシャフトでは、前述の凹凸嵌合部４５により内側継手部材１２とシャフト１５とを接合し、その凹凸嵌合部４５での接合力よりも大きな軸方向荷重により、内側継手部材１２に対してシャフト１５を軸方向変位可能としている。

　このように、シャフト１５の軸端部３９の外周面に凸部４０を形成すると共に、内側継手部材１２の軸孔２１の内周面に凸部４０と締め代ｎ（図３参照）を有する凹部４１を形成し、シャフト１５の軸端部３９を内側継手部材１２の軸孔２１に圧入して凸部４０の形状を内側継手部材１２の凹部形成面に転写することで凹凸嵌合部４５としたことにより、内側継手部材１２とシャフト１５とは凹凸嵌合部４５での接合力で軸方向に安定的に接合されている。このことから、車両衝突時に軸方向荷重が負荷された場合、安定した軸方向強度を確保することができ、十分な信頼性を持つ。

　この車両衝突時に軸方向荷重が負荷された場合、図４に示すように、内側継手部材１２、ボール１３およびケージ１４からなる内部部品が軸方向変位し、内部部品を構成するケージ１４が外側継手部材１１の底部２４に当接する。

　ここで、軸方向荷重が凹凸嵌合部４５での接合力よりも大きいと、図５に示すように、シャフト１５が内側継手部材１２の軸孔２１を突き抜け、シャフト１５の軸端部３９がシールプレート２５を貫通孔３５から打ち抜く。この貫通孔３５から打ち抜かれたシールプレート２５は管状部材３７に侵入する。このような形態で、車両衝突時の軸方向荷重を吸収するようにしている。シャフト１５が内側継手部材１２の軸孔２１を突き抜ける際には、ブーツ２６は破断している。

　この凹凸嵌合部４５での接合力は、凹部４１に対する凸部４０の締め代ｎ（図３参照）などの寸法管理により調整することが容易である。この接合力の調整により、凹凸嵌合部４５での軸方向強度を任意に設定することが可能となる。従って、図４に示すように、ケージ１４が外側継手部材１１の底部２４に当接するだけでは、シャフト１５が内側継手部材１２の軸孔２１を突き抜けないように凹凸嵌合部４５での接合力を上げることも可能である。

　このように、凹凸嵌合部４５での接合力を上げた場合、図６に示すように、車両衝突時に軸方向荷重が負荷された場合、内部部品を構成するケージ１４が外側継手部材１１の底部２４に当接して破損した上で内側継手部材１２が外側継手部材１１の底部２４に当接する。

　このような状態となるまで、凹凸嵌合部４５での接合力を上げたことにより、図７に示すように、シャフト１５が内側継手部材１２の軸孔２１を突き抜け、シャフト１５の軸端部３９がシールプレート２５を貫通孔３５から打ち抜く。この貫通孔３５から打ち抜かれたシールプレート２５は管状部材３７に侵入する。このような形態でも、車両衝突時の軸方向荷重を吸収することができる。シャフト１５が内側継手部材１２の軸孔２１を突き抜ける際には、ブーツ２６は破断している。

　以上のように、内側継手部材１２とシャフト１５とを凹凸嵌合部４５で接合し、その凹凸嵌合部４５での接合力よりも大きな軸方向荷重により、内側継手部材１２に対してシャフト１５を軸方向変位可能としたことにより、車両衝突時に軸方向荷重が負荷された場合、安定した軸方向強度を確保することができるので、車両衝突時の軸方向荷重を吸収する緩衝機構の設計自由度を高めることが容易となる。

　さらに、この緩衝機構では、従来のように、内側継手部材１２に対してシャフト１５を抜け止めする止め輪等の抜け止め機構が不要となる点でも、等速自在継手の設計自由度を高めることができる。

　この等速自在継手では、外側継手部材１１の底部２４に、シャフト１５の軸端部３９の外径より大きく、かつ、内側継手部材１２の外径よりも小さい貫通孔３５を形成すると共に、その貫通孔３５にシールプレート２５を嵌着した緩衝機構を具備している。貫通孔３５の内径は、シャフト１５の軸端部３９の外径より大きく、かつ、内側継手部材１２の外径よりも小さい範囲内であればよく、その値は任意である。

　このような緩衝機構を採用したことにより、車両衝突時に軸方向荷重が負荷された場合、内側継手部材１２に対して軸方向変位するシャフト１５のみがシールプレート２５を貫通孔３５から打ち抜くことになる。そのため、シールプレート２５の外径を従来よりも小さくすることができる。このことから、シールプレート２５について設計自由度を高めることができる。

　なお、シャフト１５の軸端部３９からブーツ２６の取り付け部位までの外径を内側継手部材１２の軸孔２１の内径よりも小さくし、その軸方向寸法を長くすることにより、シャフト１５の軸方向変位を大きくすることができ、車両衝突時の軸方向荷重を十分に吸収し得る緩衝機構とすることが可能である。

　また、シャフト１５により貫通孔３５から打ち抜かれたシールプレート２５は管状部材３７に侵入することになる。このように、シャフト１５のみにより打ち抜かれるシールプレート２５の外径を従来よりも小さくすることができるので、管状部材３７（接合部分のカール部３８）の内径についても高い設計自由度を確保することができる。

　本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、請求の範囲によって示され、さらに請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

Claims (2)

1. 　カップ状の外側継手部材と、前記外側継手部材に収容され、外側継手部材との間でトルク伝達部材を介して軸方向変位および角度変位を許容しながらトルクを伝達する内側継手部材とを備え、前記内側継手部材に軸状部材をトルク伝達可能に結合させた摺動式等速自在継手であって、
   　前記軸状部材の外周面に軸方向に延びる複数の凸部を形成すると共に、前記内側継手部材の内周面に前記凸部と締め代を有する凹部を形成し、軸状部材を内側継手部材に圧入して凸部の形状を内側継手部材の凹部形成面に転写することにより、凸部と凹部との嵌合接触部位全域が密着する凹凸嵌合部を具備し、前記凹凸嵌合部での接合力よりも大きな軸方向荷重により、内側継手部材に対して軸状部材を軸方向変位可能としたことを特徴とする摺動式等速自在継手。
2. 　前記外側継手部材の底部は、前記軸状部材の外径より大きく、かつ、前記内側継手部材の外径よりも小さい貫通孔を形成すると共に前記貫通孔にシールプレートを嵌着し、前記貫通孔と連通する管状部材を接合した構造を備え、前記軸状部材の軸方向変位により、シールプレートを貫通孔から離脱させて管状部材に侵入可能とした請求項１に記載の摺動式等速自在継手。

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