固定式等速自在継手
【課題】 トルク損失および発熱が少なく高効率で、耐久性に優れるものでありながら、高作動角を取ることができる固定式等速自在継手を提供する。
【解決手段】 外側継手部材2のトラック溝7は奥側に位置する第1トラック溝部7aと開口側に位置する第2トラック溝部7bとからなる。第1トラック溝部7aは、継手中心に対して開口側にオフセットした位置に曲率中心を有する円弧状をなし、かつ継手の軸線N−Nに対して周方向に傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合う第1トラック溝部7aで互いに反対方向に形成されており、第2トラック溝部7bは、最大作動角に対する有効トラック長さを増加させるために第1トラック溝部7aとは異なる形状を有し、かつ継手中心Oよりも開口側で第1トラック溝部7aと接続されている。内側継手部材3のトラック溝9は、作動角が0°の状態の継手中心平面Pを基準として、外側継手部材2の対となるトラック溝7と鏡像対称に形成されている。
【解決手段】 外側継手部材2のトラック溝7は奥側に位置する第1トラック溝部7aと開口側に位置する第2トラック溝部7bとからなる。第1トラック溝部7aは、継手中心に対して開口側にオフセットした位置に曲率中心を有する円弧状をなし、かつ継手の軸線N−Nに対して周方向に傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合う第1トラック溝部7aで互いに反対方向に形成されており、第2トラック溝部7bは、最大作動角に対する有効トラック長さを増加させるために第1トラック溝部7aとは異なる形状を有し、かつ継手中心Oよりも開口側で第1トラック溝部7aと接続されている。内側継手部材3のトラック溝9は、作動角が0°の状態の継手中心平面Pを基準として、外側継手部材2の対となるトラック溝7と鏡像対称に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、固定式等速自在継手に関し、詳しくは、自動車や各種産業機械の動力伝達系において使用されるもので、駆動側と従動側の二軸間で角度変位のみを許容する固定式等速自在継手に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、自動車のフロント用ドライブシャフトには、通常、インボード側(デファレンシャル側)に、最大作動角は比較的小さいが作動角を取りつつ軸方向変位が可能な摺動式等速自在継手が組み込まれ、アウトボード側(車輪側)は、車輪が操舵されるので、大きな作動角が取れるが軸方向に変位しない固定式等速自在継手が組み込まれる。
【0003】
アウトボード側に使用されている固定式等速自在継手の一例を、図12(a)に示す等速自在継手101の作動角0°の状態における縦断面図、および図12(b)に示す同等速自在継手101が最大作動角を取った状態の概要図に基づいて説明する。等速自在継手101は、8個ボールタイプのツェッパ型等速自在継手であり、外側継手部材102、内側継手部材103、ボール104および保持器105を主な構成とする。外側継手部材102の球状内周面106には8本のトラック溝107が円周方向等間隔に、かつ軸方向に沿って形成されている。内側継手部材103の球状外周面108には、外側継手部材102のトラック溝107と対向するトラック溝109が円周方向等間隔に、かつ軸方向に沿って形成されている。外側継手部材102と内側継手部材103の対をなす(半径方向で対向する)トラック溝107,109間にボール104が配置されている。外側継手部材102の球状内周面106と内側継手部材103の球状外周面108の間に、ボール104を円周方向所定間隔で保持する保持器105が配置されている。外側継手部材102の外周と、内側継手部材103に連結されたシャフトの外周とをブーツで覆い、継手内部には、潤滑剤としてグリースが封入されている(図示省略)。
【0004】
図12(a)に示すように、外側継手部材102の球状内周面106と嵌合する保持器105の球状外周面112、および内側継手部材103の球状外周面108と嵌合する保持器105の球状内周面113の曲率中心は、いずれも継手中心Oに形成されている。これに対し、外側継手部材102のトラック溝107のボール軌道中心線xの曲率中心Ooと、内側継手部材103のトラック溝109のボール軌道中心線yの曲率中心Oiとは、継手中心Oに対して軸方向両側に等距離オフセットされている。これにより、継手が作動角をとった場合、外側継手部材102と内側継手部材103の両軸線がなす角度を二等分する平面上にボール104が常に案内され、二軸間で等速に回転トルクが伝達される。
【0005】
図12(b)に示すように、固定式等速自在継手101の主要機能である最大作動角θmaxは、外側継手部材102の開口端(内周縁部)に設けられる入口チャンファ110とシャフト111とが干渉する角度に依存する。シャフト111の軸径dは、許容伝達トルクを確保するためにジョイントサイズ毎に決められている。入口チャンファ110を大きくとると、ボール104が接触する外側継手部材102のトラック溝107の長さ(以下、「有効トラック長さ」という)が不足し、ボール104がトラック溝107から脱落して回転トルクが伝達できなくなる。このため、外側継手部材102の有効トラック長さを確保しつつ、入口チャンファ110を如何に設定するかが、作動角を確保する上で重要なファクターとなる。図12(a)(b)に示す等速自在継手101では、外側継手部材102のトラック溝107のボール軌道中心線xの曲率中心Ooが軸方向開口側にオフセットされているので、最大作動角の面で有利であり、最大作動角θmaxは47°程度である。
【0006】
また、上述した8個ボールタイプの等速自在継手は、従来の6個ボールタイプの等速自在継手に比べて、トラックオフセット量を小さくし、ボールの個数を増やし、かつ直径を小さくしたことにより、軽量・コンパクトでトルク損失の少ない高効率な等速自在継手を実現している。しかし、作動角0°の状態で外側継手部材102と内側継手部材103の対をなすトラック溝107,109間に形成される各くさび角が、外側継手部材102の開口側に向けて開いているので、トラック溝107,109からボール104に作用する軸方向の力により、外側継手部材102と保持器105の球面接触部106,112および内側継手部材103と保持器105の球面接触部108,113に作用する荷重が一定方向に向かって発生する。そのため、更なる高効率化や低発熱化に限度がある。
【0007】
そこで、更なる高効率化や低発熱化を実現すべく、図13(a)(b)に示すトラック溝交差タイプの固定式等速自在継手121が提案されている(例えば、下記の特許文献1を参照)。図13(a)は、等速自在継手121の作動角0°の状態における縦断面図であり、図13(b)は、等速自在継手121が高作動角を取った状態を示す概要図である。図13(a)に示すように、この等速自在継手121は、外側継手部材122、内側継手部材123、ボール124および保持器125を主な構成とする。この等速自在継手121は、図示は省略するが、外側継手部材122の8本のトラック溝127のボール軌道中心線xと継手中心Oとを含む平面が、継手の軸線n−nに対して傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合うトラック溝127で互いに反対方向に形成されている。そして、内側継手部材123のトラック溝129のボール軌道中心線yは、作動角0°の状態の継手中心平面(作動角0°の状態で継手中心Oを含んで継手の軸線n−nと直交する方向に延びる平面)Pを基準として、外側継手部材122の対となるトラック溝127のボール軌道中心線xと鏡像対称に形成されている。
【0008】
図13(a)に示すように、外側継手部材122の球状内周面126に形成されたトラック溝127は、軸方向に沿って円弧状に延び、その曲率中心は継手中心Oに位置する。内側継手部材123の球状外周面128に形成されたトラック溝129は、軸方向に沿って円弧状に延び、その曲率中心は継手中心Oに位置する。外側継手部材122と内側継手部材123の対をなす(半径方向に対向する)トラック溝127,129の交差部にボール124が介在している。外側継手部材122の球状内周面126と内側継手部材123の球状外周面128の間に、ボール124を円周方向所定間隔で保持する保持器125が配置されている。外側継手部材122の球状内周面126と嵌合する保持器125の球状外周面132、および内側継手部材123の球状外周面128と嵌合する保持器125の球状内周面133の曲率中心は、いずれも継手中心Oに形成されている。この等速自在継手121では、外側継手部材122および内側継手部材123のトラック溝127,129のボール軌道中心線x,yの曲率中心は継手中心Oに対して軸方向にオフセットされていないが、対をなすトラック溝127,129が交差し、この交差部にボール124が介在することにより、継手が作動角をとった場合、外側継手部材122と内側継手部材123の両軸線がなす角度を二等分する平面上にボール124が常に案内され、二軸間で等速に回転トルクが伝達されることになる。
【0009】
上述したトラック溝交差タイプの固定式等速自在継手121において、両継手部材122,123のトラック溝127,129は、周方向に隣り合うトラック溝で傾斜方向が互いに反対方向に形成されているので、保持器125の周方向に隣り合うポケット部125aにはボール124から相反する方向の力が作用する。この相反する方向の力により保持器125は継手中心O位置で安定する。このため、保持器125の球状外周面132と外側継手部材122の球状内周面126との接触力、および保持器125の球状内周面133と内側継手部材123の球状外周面128との接触力が抑制されて高負荷時や高速回転時に継手が円滑に作動するため、トルク損失や発熱が抑えられ、耐久性が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特開2009−250365号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
上述したトラック溝交差タイプの固定式等速自在継手121は、低発熱ジョイントとしては優れているものの、図13(b)に示すように、外側継手部材122の入口チャンファ130を大きくすると、トラック溝127の曲率中心が継手中心Oに一致している構造上、外側継手部材122のトラック溝127の有効トラック長さが不足し、高作動角θを取ったときにボール124がトラック溝127から脱落し、高作動角化が図れないという問題がある。
【0012】
そこで、本願発明者らは、上述したトラック溝交差タイプの固定式等速自在継手の高作動角化を図るために、両継手部材のトラック溝に直線状の部分を設けることを検討した。この等速自在継手が図14に示すものであり、図14(a)および図14(b)に、同等速自在継手の縦断面図および正面図をそれぞれ示す。図14(a)に示すように、この等速自在継手141において、外側継手部材142のトラック溝147は、作動角0°の
状態で継手中心Oを含んで継手の軸線n−nと直交する平面(継手中心平面)を境にしてその奥側および開口側を、それぞれ、継手中心Oを曲率中心とする円弧状のトラック溝147aおよび直線状のトラック溝147bとしたものである。一方、内側継手部材143のトラック溝149は、継手中心平面を境にしてその開口側および奥側を、それぞれ、継手中心Oを曲率中心とする円弧状のトラック溝149aおよび直線状のトラック溝149bとしたものである。
【0013】
そして、図14(b)に示すように、トラック溝147,149は、それぞれ、継手の軸線に対して周方向に傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合うトラック溝147A,147Bおよび149A,149Bで互いに反対方向に形成されている。外側継手部材142および内側継手部材143の対をなすトラック溝147A,149Aおよび147B,149Bの各交差部にボール144が配置されている。したがって、図示のような作動角0°の状態で両継手部材142,143が相対回転すると、トラック溝147A,149Aの間に形成されるくさび角の開く方向と、147B,149Bの間に形成されるくさび角の開く方向とが互いに反対方向となり、保持器145の周方向に隣り合うポケット部145aにボール144から相反する方向の力が作用することから、保持器145は継手中心O位置で安定する。このため、保持器145の球状外周面152と外側継手部材142の球状内周面146との接触力、および保持器145の球状内周面153と内側継手部材143の球状外周面148との接触力が抑制され、継手の作動性が向上する結果、トルク損失や発熱が抑えられ、耐久性が向上する。
【0014】
上記したように、外側継手部材142のトラック溝147のうち、継手中心平面から開口側の領域に直線状のトラック溝147bを形成すれば、有効トラック長さを増加させて高作動角化を図ることができる。ところが、上述した構成では、使用頻度の多い作動角を取ったときに、継手のトルク損失や発熱の抑制という面で問題があることが判明した。この理由を図15に基づいて説明する。
【0015】
トラック溝147,149とボール144は、通常、接触角(30°〜45°程度)をもって接触しているので、トラック溝147,149とボール144とは、図15に示すようにトラック溝147、149の溝底より少し離れたトラック溝147,149の側面側の破線で示す位置で接触している。継手が作動角を取ったとき、各ボール144には、トラック溝147,149の交差によるくさび角成分(図示省略)と、トラック溝147,149の溝底間の継手半径方向の拡がりによるくさび角成分αの両方が作用する。そのうち、トラック溝147,149の交差によるくさび角成分については、トラック溝147,149の傾斜方向が互いに反対方向になっているため、ボール144から保持器145のポケット部145aに相反する方向の力が作用ことにより、打消し合い、力がバランスすることとなる。
【0016】
ところが、図15に示すように、トラック溝147,149の溝底間の継手半径方向の拡がりによるくさび角成分αについては、図14(b)において、0°〜90°および270°〜360°の位相範囲にあるボール144は直線状のトラック溝147b,149b間に位置し、この位相範囲のボール144には開口側に向けて開いたくさび角成分α1により開口側への力が作用する。一方、90°〜270°の位相範囲にあるボール144は円弧状のトラック溝147a,149a間に位置するので、この位相範囲のボールには継手の半径方向の拡がりにより発生するくさび角成分α2が0であり、ボール144の押出力は発生しない。したがって、各ボール144に対して、トラック溝147,149の交差によるくさび角成分と、トラック溝147,149の溝底間の継手半径方向の拡がりによるくさび角成分αとを合わせると、保持器145の各ポケット部145aにボール144から作用する力が釣り合わず、保持器145の球状外周面152と外側継手部材142の球状内周面146との接触部、および保持器145の球状内周面153と内側継手部材143の球状外周面148との接触部における接触力を低減させることができないという問題が生じる。特に、常用角を含む使用頻度の多い作動角の範囲では、トルク損失や発熱の抑制という面で大きな問題があることが判明した。
【0017】
以上の実情に鑑み、本発明は、トルク損失および発熱が少なく高効率で、耐久性に優れるものでありながら、高作動角を取ることができる固定式等速自在継手を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0018】
本願発明者らは、上記の目的を達成するために種々検討した結果、トルク損失および発熱を少なくして高効率化を図るために、外側継手部材および内側継手部材のトラック溝のそれぞれに、相手側と協働して交差部(交差トラック)を形成し得る円弧状の第1トラック溝部を設けて使用頻度の多い作動角の範囲をカバーすると共に、両継手部材のトラック溝のそれぞれに、第1トラック溝部とは異なる形状を有する第2トラック溝部を設けて使用頻度の少ない高作動角の範囲をカバーするという新規な着想に至った。これに加えて、最大作動角に対する有効トラック長さを増加させて高作動角化を図るために、円弧状の第1トラック溝部の曲率中心を継手中心に対して開口側にオフセットさせることを着想した。
【0019】
上記の目的を達成するために創案された本発明は、球状内周面に軸方向に延びる複数のトラック溝が形成され、軸方向に離間する開口側と奥側を有する外側継手部材と、球状外周面に外側継手部材のトラック溝と対をなす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してトルクを伝達する複数のボールと、このボールを保持し、外側継手部材の球状内周面および内側継手部材の球状外周面にそれぞれ嵌合する球状外周面および球状内周面を有する保持器とを備えた固定式等速自在継手において、外側継手部材のトラック溝は奥側に位置する第1トラック溝部と開口側に位置する第2トラック溝部とからなり、第1トラック溝部は、継手中心に対して開口側にオフセットした位置に曲率中心を有する円弧状をなし、かつ継手の軸線に対して周方向に傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合う第1トラック溝部で互いに反対方向に形成されており、第2トラック溝部は、最大作動角に対する有効トラック長さを増加させるために第1トラック溝部とは異なる形状を有し、かつ継手中心よりも開口側で第1トラック溝部と接続され、内側継手部材のトラック溝は、作動角0°の状態の継手中心平面を基準として、外側継手部材の対となるトラック溝と鏡像対称に形成されていることを特徴とする。なお、ここでいう「継手の軸線」とは、継手の回転中心となる長手方向の軸線を意味し、後述する実施形態における継手の軸線N−Nを指す。また「作動角0°の状態の継手中心平面」とは、厳密に言うと、作動角0°の状態で継手中心を含んで継手の軸線と直交する方向に延びる平面である。
【0020】
本発明では、外側継手部材のトラック溝において、その開口側に設けられる有効トラック長さを増加させるための第2トラック溝部が継手中心よりも開口側で第1トラック溝部に接続される(内側継手部材のトラック溝においては、その奥側に設けられる第2トラック溝部が継手中心よりも奥側で第1トラック溝部に接続される)。これはすなわち、本発明に係る固定式等速自在継手では、図14を参照して説明した等速自在継手141と比較して、トルク損失等の抑制効果に優れた交差トラックを形成する第1トラック溝部の形成範囲が拡大されることを意味する。そのため、常用作動角の範囲におけるトルク損失や発熱を抑制して高効率化を図ることができる。その一方で、円弧状の第1トラック溝部は、継手中心に対して開口側にオフセットした曲率中心を有することから、このオフセット量を、上記構成を採用したことにより得られるトルク損失等の抑制効果(継手の効率性)が損なわれない範囲で適宜調整することにより、第2トラック溝部の長さ(有効トラック長さ)を効果的に増加させて高作動角化を図ることができる。従って、本発明によれば、トルク損失および発熱が少なく高効率で、耐久性に優れるものでありながら、高作動角を取ることができる固定式等速自在継手を実現することができる。
【0021】
第1トラック溝部と第2トラック溝部とが接続される点と継手中心とを結ぶ直線が作動角0°の状態の継手中心平面に対してなす角度をβとしたとき、この角度βを使用状態等に応じて適宜設定することにより、固定式等速自在継手の高効率化を適切に実現することができる。特に自動車用等速自在継手の常用作動角度範囲を考慮すると、角度βを3〜10°に設定にすることで種々の車種に汎用することができる。なお、ここでいう角度βは、上記の直線が作動角0°の状態の継手中心平面上の直線となす角の中で最小のものと定義する。
【0022】
第1トラック溝部の曲率中心は、継手中心に対して開口側にオフセットされている限りにおいて、その半径方向位置を任意に設定することができる。すなわち、第1トラック溝部の曲率中心は、継手の軸線N−Nに対して周方向に傾斜した傾斜軸N’−N’上に配置しても良いし(図4や図5等を参照)、傾斜軸N’−N’に対して半径方向にオフセットした位置に配置しても良い(図10を参照)。第1トラック溝部の曲率中心を継手の軸線に対して半径方向にオフセットさせた場合には、そのオフセット量に応じて継手の奥側のトラック溝深さを調整することができるので、最適なトラック溝深さを確保することが可能となる。
【0023】
保持器の球状外周面の曲率中心を、継手中心に対して開口側にオフセットした位置に配置し、保持器の球状内周面の曲率中心を、継手中心に対して奥側にオフセットした位置に配置することができる。このようにすれば、保持器の肉厚を開口側に向かって徐々に厚くすることができるので、特に高作動角時の保持器の強度を確保して継手の信頼性を高めることができる。
【0024】
第2トラック溝部は、第1トラック溝部の半径方向外側で、かつ継手中心よりも開口側にオフセットされた位置を曲率中心とした円弧状部分を有するものとすることができる。これにより、有効トラック長さを増加させて最大作動角を大きくすることができる。この場合、第2トラック溝部は、上記の円弧状部分のみからなり、この円弧状部分が第1トラック溝部に滑らかに接続されたものとしても良いし、上記の円弧状部分と直線状部分とからなり、直線状部分が第1トラック溝部に滑らかに接続されたものとしても良い。
【0025】
トルク伝達ボールの個数は、8個、10個又は12個の何れかとするのが望ましい。このようにすれば、軽量コンパクトで、高効率で、高作動角が取れる固定式等速自在継手、ひいては自動車のドライブシャフトを実現することができる。
【発明の効果】
【0026】
本発明により、トルク損失および発熱が少なく高効率で、耐久性に優れるものでありながら、高作動角を取ることができるコンパクトな固定式等速自在継手を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】(a)図は本発明の第1の実施形態に係る固定式等速自在継手の部分縦断面図であり、(b)図は同正面図である。
【図2】(a)図は図1に示す固定式等速自在継手を構成する外側継手部材の部分縦断面図であり、(b)図は同正面図である。
【図3】(a)〜(c)図は、それぞれ、図1に示す固定式等速自在継手を構成する内側継手部材の背面図、側面図および正面図である。
【図4】図2に示す外側継手部材のトラック溝の詳細を示す部分縦断面図である。
【図5】図3に示す内側継手部材のトラック溝の詳細を示す縦断面図である。
【図6】(a)図は、図1に示す等速自在継手が最大作動角を取った状態を示す概要図であり、(b)図は、図16に示す等速自在継手が最大作動角を取った状態を示す概要図である。
【図7】外側継手部材と内側継手部材の斜視図である。
【図8】図1に示す固定式等速自在継手が組み込まれた自動車用ドライブシャフトの一例を示す図である
【図9】本発明の第2の実施形態に係る固定式等速自在継手で使用される外側継手部材の縦断面図である。
【図10】本発明の第3の実施形態に係る固定式等速自在継手で使用される外側継手部材の縦断面図である。
【図11】本発明の第4実施形態に係る固定式等速自在継手で使用される保持器の部分縦断面図である。
【図12】従来の固定式等速自在継手の縦断面図である。
【図13】従来の固定式等速自在継手の縦断面図である。
【図14】(a)図は本発明に至る過程で検討した固定式等速自在継手の部分縦断面図、(b)図はその右側面図である。
【図15】図14(a)に示す固定式等速自在継手が作動角をとった状態を示す部分断面図であり、本発明に至る過程における技術的知見を説明する図である。
【図16】本発明に至る過程における技術的知見を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
本発明の実施の形態を図1〜図11に基づいて説明する。
【0029】
図1(a)に本発明の第1の実施形態に係る固定式等速自在継手1(以下、単に「等速自在継手1」ともいう)の部分縦断面図を示し、図1(b)に等速自在継手1を開口側からみたときの正面図[図1(a)の右側面図]を示す。この等速自在継手1は、トラック溝交差タイプに分類されるものであり、外側継手部材2、内側継手部材3、ボール4および保持器5を主な構成とする。図2にも示すように、外側継手部材2の球状内周面6には軸方向に延びる8本のトラック溝7が形成されており、各トラック溝7は、継手の軸線N−Nに対して周方向に角度γ傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合うトラック溝7(7A,7B)で互いに反対方向に形成されている。また、図3にも示すように、内側継手部材3の球状外周面8には軸方向に延びる8本のトラック溝9が形成されており、各トラック溝9は、継手の軸線N−Nに対して周方向に角度γ傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合うトラック溝9(9A,9B)で互いに反対方向に形成されている。そして、外側継手部材2と内側継手部材3の対をなすトラック溝7,9の各交差部にボール4がそれぞれ配置されている。外側継手部材2のトラック溝7(7A,7B)、および内側継手部材3のトラック溝9(9A,9B)の詳細については後述する。
【0030】
ここで、トラック溝7,9の形態(傾斜状態や湾曲状態など)や形状を的確に示すために、以下では「ボール軌道中心線」なる用語を用いる。ボール軌道中心線とは、対をなすトラック溝7,9間に介在するボール4がトラック溝7,9に沿って移動するときに、ボール4の中心が描く軌跡を意味する。したがって、トラック溝7,9の傾斜状態や湾曲状態はそのボール軌道中心線の傾斜状態や湾曲状態と同じである。
【0031】
外側継手部材2のトラック溝7はボール軌道線Xを有する。詳述すると、トラック溝7は、奥側に設けられ、継手中心Oに対して開口側に寸法f1(図4参照)だけオフセットした点Oo1を曲率中心とした円弧状のボール軌道中心線Xaを有する第1トラック溝部7aと、開口側に設けられ、第1トラック溝部7aとは反対方向に湾曲した円弧状のボール軌道中心線Xbを有する第2トラック溝部7bとからなる。すなわち、本実施形態の第2トラック溝部7bは、第1トラック溝部7aとは形状の異なる(反対方向に湾曲した)円弧状部分のみからなり、そのボール軌道中心線Xb(の奥側端部)は、第1トラック溝部7aのボール軌道中心線Xaの開口側端部に滑らかに接続されている。また、第1トラック溝部7aの曲率中心であるオフセット点Oo1は、継手の軸線N−Nに対して角度γだけ傾斜した傾斜軸N’−N’(図4を参照。但し、角度γについては図2(a)を参照)上に配置されており、継手中心Oに対して半径方向にオフセットしていない。
【0032】
図2(a)(b)にそれぞれ示す外側継手部材2の部分縦断面図および開口側から見た正面図(右側面図)を参照しながら、外側継手部材2のトラック溝7が継手の軸線N−Nに対して周方向に角度γだけ傾斜している状態を詳細に説明する。外側継手部材2のトラック溝7は、その傾斜方向の違いから、トラック溝7A,7Bの符号を付す。図2(a)に示すように、トラック溝7Aのボール軌道中心線Xと継手中心Oを含む平面Mは、継手の軸線N−Nに対して角度γだけ傾斜している。そして、図示は省略するが、トラック溝7Aと周方向に隣り合うトラック溝7Bは、継手の軸線N−Nに対して、トラック溝7Aの傾斜方向とは反対方向に角度γだけ傾斜している。本実施形態では、トラック溝7A(および7B)のボール軌道中心線Xの全域、すなわち、第1トラック溝部7aのボール軌道中心線Xaおよび第2トラック溝部7bのボール軌道中心線Xbの双方が平面M上に形成されている。しかし、これに限られるものではなく、第1トラック溝部7aのボール軌道中心線Xaのみが平面Mに含まれている形態を採用することもできる。したがって、少なくとも第1トラック溝部7aのボール軌道中心線Xaと継手中心Oを含む平面Mが、継手の軸線N−Nに対して周方向に角度γだけ傾斜すると共に、その傾斜方向が周方向に隣り合う第1トラック溝部7aで互いに反対方向に形成されていればよい。
【0033】
ここで、トラック溝の符号について補足する。外側継手部材2のトラック溝全体を指す場合は符号7を付し、その第1および第2トラック溝部に符号7a,7bをそれぞれ付している。さらに、傾斜方向が互いに異なるトラック溝を区別するために符号7A,7Bを付し、トラック溝7A,7Bの第1トラック溝部に符号7Aa,7Baを、また、トラック溝7A,7Bの第2トラック溝部に符号7Ab,7Bbをそれぞれ付している。以下に詳述する内側継手部材3のトラック溝9についても同様の要領で符号を付している。
【0034】
内側継手部材3のトラック溝9はボール軌道中心線Yを有する。詳述すると、トラック溝9は、継手中心Oに対して奥側に寸法f1(図5参照)だけオフセットした点Oi1を
曲率中心とした円弧状のボール軌道中心線Yaを有する第1トラック溝部9aと、奥側に設けられ、第1トラック溝部9aとは反対方向に湾曲した円弧状のボール軌道中心線Ybを有する第2トラック溝部9bとからなる。すなわち、本実施形態の第2トラック溝部9bは、第1トラック溝部9aとは形状の異なる(反対方向に湾曲した)円弧状部分のみからなり、そのボール軌道中心線Ybの開口側端部は、第1トラック溝部9aのボール軌道中心線Yaの奥側端部に滑らかに接続されている。また、第1トラック溝部9aの曲率中心であるオフセット点Oi1は、継手の軸線N−Nに対して角度γだけ傾斜した傾斜軸N’−N’(図5を参照。但し、角度γについては図3(b)を参照)上に配置されており、継手中心Oに対して半径方向にオフセットしていない。
【0035】
図3(a)〜(c)にそれぞれ示す内側継手部材3の背面図、側面図および正面図を参照しながら、内側継手部材3のトラック溝9が継手の軸線N−Nに対して周方向に傾斜している状態を詳細に説明する。内側継手部材3のトラック溝9は、その傾斜方向の違いから、トラック溝9A,9Bの符号を付す。図3(b)に示すように、トラック溝9Aのボール軌道中心線Yと継手中心Oを含む平面Qは、継手の軸線N−Nに対して角度γだけ傾斜している。そして、図示は省略するが、トラック溝9Aに周方向に隣り合うトラック溝9Bは、トラック溝9Bのボール軌道中心線Yと継手中心Oを含む平面Qが、継手の軸線N−Nに対して、トラック溝9Aの傾斜方向とは反対方向に角度γだけ傾斜している。平面Q(および上述した平面M)の継手の軸線N−Nに対する傾斜角γは、等速自在継手1の作動性および内側継手部材3のトラック溝9の最も接近した側の球面幅Fを考慮し、4°〜12°にすることが好ましい。また、上述した外側継手部材2と同様、本実施形態では、トラック溝9Aのボール軌道中心線Yの全域、すなわち、第1トラック溝部9aのボール軌道中心線Yaおよび第2トラック溝部9bのボール軌道中心線Ybの双方が平面Q上に形成されている。しかし、これに限られるものではなく、第1トラック溝部9aのボール軌道中心線Yaのみが平面Qに含まれている形態も実施することができる。したがって、少なくとも第1トラック溝部9aのボール軌道中心線Yaと継手中心Oを含む平面Qが継手の軸線N−Nに対して周方向に傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合う第1トラック溝部9aで互いに反対方向に形成されていればよい。
【0036】
以上の構成から、内側継手部材3のトラック溝9のボール軌道中心線Yは、作動角0°の状態の継手中心平面Pを基準として、外側継手部材2の対となるトラック溝7のボール軌道中心線Xと鏡像対称に形成されている。なお、図示は省略するが、両継手部材2,3のトラック溝7,9の横断面形状は楕円形状やゴシックアーチ形状に形成されており、トラック溝7,9とボール4は30°〜45°程度の接触角をもって接触する、いわゆるアンギュラコンタクトとなっている。したがって、ボール4は、トラック溝7,9の溝底より少し離れたトラック溝7,9の側面側でトラック溝7,9と接触している。
【0037】
次に、図4に示す外側継手部材2の部分縦断面図に基づいて、外側継手部材2の縦断面より見たトラック溝の詳細を説明する。なお、図4は、図2(a)中に示すトラック溝7Aのボール軌道中心線Xと継手中心Oを含む平面Mで見た断面図である。したがって、図4は、厳密には継手の軸線N−Nを含む平面における縦断面図ではなく、継手の軸線N−Nに対して角度γだけ傾斜した傾斜軸N’−N’を含む平面における縦断面を示している。また、図4には、外側継手部材2のトラック溝7Aのみを示しているが、トラック溝7Bは、トラック溝7Aと反対方向に傾斜しているだけで、その他の構成はトラック溝7Aと同じであることから、図示しての詳細な説明は省略する。
【0038】
外側継手部材2の球状内周面6には、ボール軌道中心線Xを有するトラック溝7Aが軸方向に沿って形成されている。このトラック溝7Aは、継手中心Oに対して開口側に寸法f1だけオフセットした点Oo1を曲率中心とした円弧状のボール軌道中心線Xaを有する第1トラック溝部7Aaと、この第1トラック溝部7Aaとは反対方向に湾曲した円弧状のボール軌道中心線Xb、より詳しくは、第1トラック溝部7Aaの半径方向外側で、かつオフセット点Oo1よりオフセット量が大きい点Oo2を曲率中心とした円弧状のボール軌道中心線Xbを有する第2トラック溝部7Abとからなる。すなわち、第2トラック溝部7Aaは円弧状部分のみからなり、そのボール軌道中心線Xbの奥側端部は、第1トラック溝部7Aaのボール軌道中心線Xaの開口側端部A(両オフセット点Oo1,Oo2を結ぶ直線L1とトラック溝7Aのボール軌道中心線Xとが交わる点)に滑らかに接続されている。第1トラック溝部7Aaの開口側端部Aと継手中心Oとを結ぶ直線をL2としたとき、この直線L2と、トラック溝7Aのボール軌道中心線Xと継手中心Oを含む平面M(図2(a)参照)上に投影された継手の軸線N’−N’の継手中心Oにおける垂線Kとがなす角度β’を含む平面は、継手の軸線N−Nに対して角度γだけ傾斜している。上記の垂線Kは作動角0°の状態の継手中心平面P上にある。したがって、直線L2が作動角0°の状態の継手中心平面Pに対してなす角度βは、sinβ=sinβ’×cosγの関係になる。本実施形態では、外側継手部材2の第1トラック溝部7Aaおよび第2トラック溝部7Abを、それぞれ単一の円弧状部分で形成しているが、これに限られず、トラック溝深さなどを考慮して複数の円弧状部分で形成してもよい。
【0039】
同様に、図5に基づいて、内側継手部材3の縦断面よりトラック溝の詳細を説明する。図5は、図3(b)のトラック溝9Aのボール軌道中心線Yと継手中心Oを含む平面Qで見た断面図である。したがって、厳密にいうと図5は、図4と同様に、継手の軸線N−Nを含む平面における縦断面図ではなく、継手の軸線N−Nに対して角度γだけ傾斜した傾斜軸N’−N’を含む平面における断面を示している。また、図5には、内側継手部材3のトラック溝9Aのみを示しているが、トラック溝9Bは、トラック溝9Aと反対方向に傾斜しているだけで、その他の構成はトラック溝9Aと同じであるので、図示しての詳細な説明は省略する。
【0040】
内側継手部材3の球状外周面8には、ボール軌道中心線Yを有するトラック溝9Aが軸方向に沿って形成されている。このトラック溝9Aは、継手中心Oに対して寸法f1だけ奥側にオフセットした点Oi1を曲率中心とした円弧状のボール軌道中心線Yaを有する第1トラック溝部9Aaと、この第1トラック溝部9Aaとは反対方向に湾曲した、より詳しくは、第1トラック溝部9Aaのボール軌道中心線Yaの半径方向外側で、かつオフセット点Oi1よりオフセット量が大きい点Oi2を曲率中心とした円弧状のボール軌道中心線Ybを有する第2のトラック溝部9Abとからなる。すなわち、第2トラック溝部9Abは円弧状部分のみからなり、そのボール軌道中心線Ybの開口側端部は、第1トラック溝部9Aaのボール軌道中心線Yaの奥側端部B(両オフセット点Oi1,Oi2を結ぶ直線R1とトラック溝9Aのボール軌道中心線Yとが交わる点)に滑らかに接続されている。第1トラック溝部9Aaの奥側端部Bと継手中心Oとを結ぶ直線をR2としたとき、この直線R2と、トラック溝9Aのボール軌道中心線Yと継手中心Oを含む平面Q(図3(b)参照)上に投影された継手の軸線N’−N’の継手中心Oにおける垂線Kとがなす角度β’を含む平面は、継手の軸線N−Nに対して角度γだけ傾斜している。上記の垂線Kは作動角0°の状態の継手中心平面P上にある。したがって、直線R2が作動角0°の状態の継手中心平面Pに対してなす角度βは、sinβ=sinβ’×cosγの関係になる。本実施形態では、内側継手部材3の第1トラック溝部9Aaおよび第2トラック溝部9Abをそれぞれ単一の円弧状部分で形成しているが、両トラック溝部9Aa,9Abは、前述した外側継手部材2のトラック溝と同様に、トラック溝深さなどを考慮して、それぞれ複数の円弧で形成してもよい。
【0041】
次に、直線L2、R2が作動角0°の状態の継手中心平面Pに対してなす角度βについて説明する。作動角θを取ったとき、外側継手部材2および内側継手部材3の上記平面Pに対して、ボール4がθ/2だけ移動する。使用頻度が多い作動角の1/2より角度βを決め、使用頻度が多い作動角の範囲においてボール4が接触するトラック溝の範囲を決める。ここで、使用頻度が多い作動角について定義する。まず、継手の常用角とは、水平で平坦な路面上で1名乗車時の自動車において、ステアリングを直進状態にした時にフロント用ドライブシャフトの固定式等速自在継手で生じる作動角をいう。常用角は、通常、2°〜15°の間で車種ごとの設計条件に応じて選択・決定される。そして、使用頻度の多い作動角とは、上記の自動車が、例えば、交差点の右折・左折時などに生じる高作動角ではなく、連続走行する曲線道路などで固定式等速自在継手に生じる作動角をいい、これも車種ごとの設計条件に応じて決定される。使用頻度の多い作動角は最大20°を目処とする。これにより、直線L2、R2が作動角0°の状態の継手中心平面Pに対してなす角度βを3°〜10°と設定する。ただし、角度βは3°〜10°に限定されるものではなく、車種の設計条件に応じて適宜設定することができる。角度βを3°〜10°に設定することで種々の車種に汎用することができる。
【0042】
上記の角度βにより、図4において、第1トラック溝部7Aaのボール軌道中心線Xaの開口側端部Aは、使用頻度が多い作動角時に軸方向に沿って最も開口側に移動したときのボール4の中心位置となる。同様に、内側継手部材3では、図5において、第1トラック溝部9Aaのボール軌道中心線Yaの奥側端部Bは、使用頻度が多い作動角時に軸方向に沿って最も奥側に移動したときのボール4の中心位置となる。このように設定されているので、使用頻度が多い作動角の範囲では、ボール4は、外側継手部材2および内側継手部材3の第1トラック溝部7Aa,9Aa、およびこれらとは傾斜方向が反対の第1トラック溝部7Ba,9Ba(図2,図3参照)の範囲内、すなわち交差トラックの範囲内に位置する。
【0043】
この場合、保持器5の周方向に隣り合うポケット部5aにボール4から相反する方向の力が作用するため、両継手部材2,3の第1トラック溝部7a,9aの曲率中心が継手中心Oに位置するのであれば、保持器5は継手中心Oの位置で安定することとなる。保持器5が継手中心Oの位置で安定すれば、保持器5の球状外周面12と外側継手部材2の球状内周面6との接触力、および保持器5の球状内周面13と内側継手部材3の球状外周面8との接触力が最大限に抑制され、高負荷時や高速回転時における継手の円滑な作動性が確保されるため、トルク損失や発熱を効果的に抑制して高効率化を達成することができる。
【0044】
しかしながら、有効トラック長さを増加させて高作動角化を図るべく、外側継手部材2のトラック溝7の開口部側に第1トラック溝部7aとは異なる形状の第2トラック溝部7bを設けた場合(特に、本実施形態のように、第1トラック溝部7aとは反対方向に湾曲した円弧状の第2トラック溝部7bを設けた場合)、両継手部材2,3の第1トラック溝部7a,9aの曲率中心を継手中心Oに配置すると、より一層の高作動角度化を図る上で制約が生じる。その理由を、図16を参照しながら詳述する。
【0045】
図16は、球状内周面に、継手中心Oを曲率中心とした円弧状のボール軌道中心線Xa’を有する第1トラック溝部7Aa’と、第1トラック溝部7Aa’とは反対方向に湾曲し、第1トラック溝部7Aa’(ボール軌道中心線Xa’)の開口側端部A’に滑らかに接続された円弧状のボール軌道中心線Xb’を有する第2トラック溝部7Ab’とからなるトラック溝7A’が形成された外側継手部材の要部断面図である。なお、第1トラック溝部7Aa’の開口側端部A’の位置(角度β’)は、上述した本発明の第1実施形態に係る等速自在継手1を構成する外側継手部材2と同じである。また、図示は省略するが、図16に示す外側継手部材2’の内周には、球状外周面に、作動角0°の状態の継手中心平面Pを基準として、対をなす外側継手部材2’のトラック溝7A’と鏡像対称のトラック溝が形成された内側継手部材が配設される。
【0046】
この場合、有効トラック長さを増加させるためには、外側継手部材2’の第2トラック溝部7Ab’の長さ、さらに言えば第2トラック溝部7Ab’の曲率半径をできるだけ小さくすることが有効となる。すなわち、外側継手部材2’の開口端に設けられている入口チャンファ10の角度が定まっていると仮定すると、第2トラック溝部7Ab’(ボール軌道中心線Xb’)の曲率中心を、図16中のオフセット点Oox1に配置した場合の方が、図16中のオフセット点Oox2に配置する場合よりも第2トラック溝部7Ab’の長さ(有効トラック長さ)を増加することができる。しかしながら、第2トラック溝部7Ab’の曲率半径を小さくすればするほど、継手が高作動角をとったときに、この外側継手部材2’のトラック溝7A’と、これと対をなす内側継手部材のトラック溝との間に形成されるくさび角が大きくなってボールを開口側に押し出す力が高まることから、保持器5のポケット部5aに発生する荷重が高くなり、継手の耐久性及び強度が低下する。
【0047】
このような問題が生じるのを可及的に防止すべく、本発明では、上述したように、外側継手部材2の第1トラック溝部7aの曲率中心を継手中心Oから開口側にオフセットした点Oo1に位置させることとした。このようにすれば、第1トラック溝部の曲率中心位置以外の設計条件を同じくする限りにおいては、図6(a)に示す本発明を適用した場合の方が、図6(b)に示すもの(外側継手部材2’の第1トラック溝部7Aa’の曲率中心を継手中心Oに配置したものであって、図16に示すものと同一構造)と比較して、第2トラック溝部の曲率中心を奥側に位置させることが可能となる[図6(a)に示す第2トラック溝部7Abの曲率中心となるオフセット点Oo2の位置と、図6(b)に示す第2トラック溝部7Ab’の曲率中心となるオフセット点Oo2’の位置とを参照]ので、トラック余裕量を増加させることができる。ここで、「トラック余裕量」とは、継手が作動角[図6(a)(b)では最大作動角]θをとったときにおけるボール4と外側継手部材2(2’)のトラック溝7(7’)との接触点Cpから、外側継手部材2(2’)の入口チャンファ10の縁部に至るまでの寸法zである。詳述すると、接触点Cpから、接触点の軌跡と入口チャンファ10の縁部の交点までの距離である。従って、これが大きいほど、ボールがトラック溝から脱落し難い構造であると言え、継手の最大作動角を大きくするうえで有利となる。
【0048】
なお、トラック余裕量についてより詳しく説明しておく。継手が最大作動角θをとったとき、図6(a)(b)に示すように、ボール4の中心点Obと継手中心Oとを結ぶ直線は、継手中心平面Pに対してθ/2だけ傾斜する。このとき、ボールとトラック溝との接触点Cpから入口チャンファ10の縁部に至るまでの寸法zがトラック余裕量であり、図6(a)に示す本発明の実施形態の方が、図6(b)に示す比較対象に比べてトラック余裕量(寸法z)が増加している。
【0049】
従って、外側継手部材2のトラック溝7(7A,7B)の開口側に、第1トラック溝部7a(7Aa,7Ba)のボール軌道中心線Xaとは反対側に湾曲した円弧状のボール軌道中心線Xbを有する第2トラック溝部7b(7Ab,7Bb)を設けると共に、第1トラック溝部7a(7Aa,7Ba)の曲率中心を継手中心Oから開口側にオフセットした点Oo1に位置させるようにすれば、トラック余裕量を大きく確保して、継手の最大作動角を大きくすることができる。
【0050】
なお、第1トラック溝部7a,9aの曲率中心の継手中心Oに対するオフセット量が大きくなるほど、トルク損失や発熱の抑制効果が薄れる(継手の効率性が低下する)こととなるが、トルク損失等の抑制効果が過度に薄れない程度に、第1トラック溝部7a,9aのオフセット量を調整すれば、使用頻度の多い継手常用角の範囲を交差トラック構造でカバーしたことによるトルク損失等の抑制効果が、第1トラック溝部7a,9aの曲率中心を継手中心Oに対して軸方向にオフセットさせたことによるマイナス分を上回る。また、本発明に係る等速自在継手1の構造上、高作動角の範囲では、周方向に配置されたボール4が、第1トラック溝部と第2トラック溝部とに一時的に分かれて位置する。これに伴い、保持器5の各ポケット部5aにボール4から作用する力が釣り合わず、保持器5の球状外周面12と外側継手部材2の球状内周面6との接触部、および保持器5の球状内周面13と内側継手部材3の球状外周面8との接触部で接触力が発生するが、高作動角の範囲は使用頻度が少ない。従って、本発明に係る等速自在継手1は、総合的にみると、図14に示した等速自在継手141と比較して、トルク損失や発熱を効果的に抑制することができる。以上のことから、本発明によれば、トルク損失および発熱が少なく高効率で、耐久性に優れるものでありながら、高作動角を取ることができる固定式等速自在継手を実現することができる。
【0051】
なお、本実施形態の等速自在継手1においては、保持器5のポケット部5aとボール4との嵌め合いをすきま設定にしてもよい。この場合、前記すきまのすきま幅は0〜40μm程度に設定するのが好ましい。すきま設定にすることにより、保持器5のポケット部5aに保持されたボール4をスムーズに作動させることができ、更なるトルク損失の低減を図ることができる。
【0052】
図7に、以上で説明した等速自在継手1の構成部材である外側継手部材2と内側継手部材3の斜視図を示す。この斜視図は、これまでに説明したトラック溝を立体的に示している。図7(a)に示すように、外側継手部材2の球状内周面6に、継手の軸線N−N(図示省略)に対して周方向に傾斜したトラック溝7A,7Bが交互に形成され、かつトラック溝7A,7Bの傾斜方向は互いに反対方向となっている。トラック溝7A,7Bは、それぞれ、第1トラック溝部7Aa,7Baと第2トラック溝部7Ab,7Bbとからなる。外側継手部材2の開口端に入口チャンファ10が設けられている。また、図7(b)に示すように、内側継手部材3の球状外周面8には、継手の軸線N−N(図示省略)に対して周方向に傾斜したトラック溝9A,9Bが交互に形成され、かつトラック溝9A,9Bの傾斜方向は互いに反対方向となっている。トラック溝9A,9Bは、それぞれ、第1トラック溝部9Aa,9Baと第2トラック溝部9Ab,9Bbとからなる。
【0053】
図8は、本発明の第1の実施形態に係る固定式等速自在継手1を組み込んだ自動車のフロント用ドライブシャフト20を示す。固定式等速自在継手1は中間シャフト11の一端に連結され、他端には摺動式等速自在継手(図示例はトリポード型等速自在継手)15が連結されている。固定式等速自在継手1の外周面とシャフト11の外周面との間、および摺動式等速自在継手15の外周面とシャフト11の外周面との間には、蛇腹状ブーツ16a,16bがブーツバンド18によりそれぞれ取り付け固定されている。継手内部には、潤滑剤としてのグリースが封入されている。本発明に係る固定式等速自在継手1を使用したので、トルク損失や発熱が小さく高効率で、かつ高作動角が取れ、軽量・コンパクトな自動車用ドライブシャフト20が実現される。
【0054】
以上、本発明の第1の実施形態に係る等速自在継手1について説明を行ったが、等速自在継手1には、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。以下、本発明の他の実施形態に係る等速自在継手について説明を行うが、以下では、上述した第1の実施形態と異なる構成について重点的に説明を行うこととし、第1の実施形態と同様の機能を奏する部材・部位には同一の符号を付して重複説明を省略することとする。
【0055】
図9に、本発明の第2の実施形態に係る固定式等速自在継手の要部断面図を示す。同図は、固定式等速自在継手に組み込んで使用される外側継手部材の断面図であり、より詳しくは、図4と同様、トラック溝7Aのボール軌道中心線Xと継手中心Oを含む平面M(図2(a)参照)で見た外側継手部材の断面図である。そして、この実施形態の等速自在継手は、外側継手部材および内側継手部材のトラック溝に設けた第2トラック溝部が、直線状部分と円弧状部分(第1トラック溝部とは反対側に湾曲した円弧状部分)とからなる点において、上述した第1の実施形態の等速自在継手と構成を異にしている。
【0056】
詳述すると、外側継手部材2の第2トラック溝部7bのボール軌道中心線Xbの曲率中心Oo2は、第1トラック溝部7a(のボール軌道中心線Xa)の曲率中心Oo1と第1トラック溝部7a(のボール軌道中心線Xa)の開口側端部Aとを結ぶ直線L1から開口側にf2だけ移動させた位置にある。そのため、第1トラック溝部7aのボール軌道中心線Xaの開口側端部Aに第2トラック溝部7bのボール軌道中心線Xbの直線状部分(の奥側端部)が接続され、この直線状部分の開口側端部(点C)に第2トラック溝部7bのボール軌道中心線Xbの円弧状部分が接続されている。そして、図示は省略するが、内側継手部材3のトラック溝9のボール軌道中心線Yは、作動角0°の状態の継手中心平面Pを基準として、外側継手部材2の対となるトラック溝7のボール軌道中心線Xと鏡像対称に形成されている。
【0057】
図10に、本発明の第3の実施形態に係る固定式等速自在継手の要部断面図を示す。同図は、固定式等速自在継手に組み込んで使用される外側継手部材の断面図であり、より詳しくは、図4および図9と同様に、トラック溝7Aのボール軌道中心線Xと継手中心Oを含む平面M(図2(a)参照)で見た外側継手部材の断面図である。この実施形態の等速自在継手は、主に、外側継手部材および内側継手部材のトラック溝に設けた第1トラック溝部のボール軌道中心線の曲率中心が、それぞれ、継手中心Oに対して開口側および奥側にオフセットしていることに加え、傾斜軸(継手の軸線N−Nに対して周方向に傾斜した軸)N’−N’に対して半径方向にオフセットしている点、およびこれに対応して第2トラック溝部のボール軌道中心線の構成を調整した点において、上述した第1の実施形態に係る固定式等速自在継手と構成を異にしている。
【0058】
詳述すると、外側継手部材2の第1トラック溝部7aのボール軌道中心線Xaの曲率中心Oo1は、継手中心Oに対して開口側にオフセットすると共に、傾斜軸N’−N’に対して半径方向にfrだけオフセットしている。すなわち、垂線Kを含む作動角0°の状態の継手中心平面P上で半径方向にfrだけオフセットしている。これに伴い、第2トラック溝部7bのボール軌道中心線Xbの曲率中心Oo2は、第1トラック溝部7aのボール軌道中心線Xaの開口側端部Aに滑らかに接続するよう位置が調整されている。この構成により、継手の奥側のトラック溝深さを調整することができる。図示は省略するが、内側継手部材3のトラック溝9のボール軌道中心線Yは、作動角0°の状態の継手中心平面Pを基準として、外側継手部材2の対となるトラック溝7のボール軌道中心線Xと鏡像対称に形成されている。
【0059】
図11に、本発明の第4の実施形態に係る固定式等速自在継手で使用される保持器の断面図を示す。すなわち、この実施形態の固定式等速自在継手は、球状外周面および球状内周面の曲率中心を継手中心Oに対して軸方向にオフセットさせた保持器を用いる点において、第1の実施形態に係る固定式等速自在継手と構成を異にしている。
【0060】
詳述すると、図11に示すように、この保持器5の球状外周面12の曲率中心Oc1は継手中心Oに対して開口側に寸法f3だけオフセットしており、また、球状内周面13の曲率中心Oc2は継手中心Oに対して奥側に寸法f3だけオフセットしている。かかる構成により、開口側に向かって保持器5の肉厚が徐々に厚くなり、特に高作動角時の保持器5の強度を向上することができる。前述したように、高作動角の範囲では、周方向に配置されたボール4が、第1トラック溝部7Aa,9Aa(7Ba,9Ba)と、第2トラック溝部7Ab,9Ab(7Bb,9Bb)とに一時的に分かれて位置する。この場合、第2トラック溝部7Ab,9Ab(7Bb,9Bb)に位置するボール4から保持器5のポケット部5aに開口側に押圧する力が作用するが、開口側に向かって保持器5の肉厚が徐々に厚くなっているので、保持器5の強度を向上することができる。また、奥側のトラック溝7,9(第1トラック溝部7a,9b)のトラック溝深さを増加させることができる。
【0061】
以上で説明した本発明に係る固定式等速自在継手では、ボール4の個数を8個としたが、これに限られるものではない。図示は省略するが、例えば、ボールの個数を10個又は12個とした固定式等速自在継手にも本発明は好ましく適用することができる。
【0062】
また、以上の実施形態の固定式等速自在継手は、第2トラック溝部(のボール軌道中心線Xb)を円弧状部分のみで構成したもの、あるいは円弧状部分と直線状部分の組合せで構成したものとしたが、これに限られるものではない。要は、第1トラック溝部のボール軌道中心線Xaとは形状が異なり、有効トラック長さを増加させて高作動角化を図り得る形状であれば適宜の形状にすることができ、例えば、楕円や直線状であってもよい。また、第1トラック溝部および第2トラック溝部の何れか一方又は双方は、それぞれ単一の円弧状部分ではなく、トラック溝深さなどを考慮して複数の円弧状部分で形成してもよい。
【0063】
また、以上では、トラック溝を周方向に等ピッチで配置した固定式等速自在継手に本発明を適用した場合を示したが、トラック溝を不等ピッチで配置した固定式等速自在継手にも本発明は好ましく適用し得る。また、以上で説明した固定式等速自継手においては、継手の軸線N−Nに対するトラック溝(第1トラック溝部)の傾斜角γをすべてのトラック溝において等しいものとしたが、これに限られず、対をなす(半径方向で対向する)外側継手部材と内側継手部材のトラック溝(第1トラック溝部)の傾斜角γが等しく形成されていれば、トラック溝(第1トラック溝部)の相互間で傾斜角γを異ならせても構わない。要は、保持器の周方向すべてのポケット部に作用するボールの軸方向の力が、全体として釣り合うように各傾斜角度が設定されていればよい。また、以上では、トラック溝とボールとが接触角をもって接触する(アンギュラコンタクトする)ように構成された固定式等速自在継手に本発明を適用したが、これに限られず、本発明は、トラック溝の横断面形状が円弧状に形成され、トラック溝とボールとがサーキュラコンタクトするように構成された固定式等速自在継手にも好ましく適用することができる。
【0064】
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、さらに種々の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、特許請求の範囲によって示され、さらに特許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。
【符号の説明】
【0065】
1 固定式等速自在継手(等速自在継手)
2 外側継手部材
3 内側継手部材
4 ボール
5 保持器
6 (外側継手部材の)球状内周面
7 トラック溝
7a 第1トラック溝部
7b 第2トラック溝部
8 (内側継手部材の)球状外周面
9 トラック溝
9a 第1トラック溝部
9b 第2トラック溝部
12 (保持器の)球状外周面
13 (保持器の)球状内周面
20 ドライブシャフト
A 開口側端部
B 奥側端部
K 垂線
L1,L2 直線
M ボール軌道中心線を含む平面
N 継手の軸線
N’ (継手の軸線に対して周方向に傾斜した)傾斜軸
O 継手中心
P 継手中心平面
Q ボール軌道中心線を含む平面
R1,R2 直線
X ボール軌道中心線
Y ボール軌道中心線
γ 傾斜角
β 角度
θ 作動角
【技術分野】
【0001】
本発明は、固定式等速自在継手に関し、詳しくは、自動車や各種産業機械の動力伝達系において使用されるもので、駆動側と従動側の二軸間で角度変位のみを許容する固定式等速自在継手に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、自動車のフロント用ドライブシャフトには、通常、インボード側(デファレンシャル側)に、最大作動角は比較的小さいが作動角を取りつつ軸方向変位が可能な摺動式等速自在継手が組み込まれ、アウトボード側(車輪側)は、車輪が操舵されるので、大きな作動角が取れるが軸方向に変位しない固定式等速自在継手が組み込まれる。
【0003】
アウトボード側に使用されている固定式等速自在継手の一例を、図12(a)に示す等速自在継手101の作動角0°の状態における縦断面図、および図12(b)に示す同等速自在継手101が最大作動角を取った状態の概要図に基づいて説明する。等速自在継手101は、8個ボールタイプのツェッパ型等速自在継手であり、外側継手部材102、内側継手部材103、ボール104および保持器105を主な構成とする。外側継手部材102の球状内周面106には8本のトラック溝107が円周方向等間隔に、かつ軸方向に沿って形成されている。内側継手部材103の球状外周面108には、外側継手部材102のトラック溝107と対向するトラック溝109が円周方向等間隔に、かつ軸方向に沿って形成されている。外側継手部材102と内側継手部材103の対をなす(半径方向で対向する)トラック溝107,109間にボール104が配置されている。外側継手部材102の球状内周面106と内側継手部材103の球状外周面108の間に、ボール104を円周方向所定間隔で保持する保持器105が配置されている。外側継手部材102の外周と、内側継手部材103に連結されたシャフトの外周とをブーツで覆い、継手内部には、潤滑剤としてグリースが封入されている(図示省略)。
【0004】
図12(a)に示すように、外側継手部材102の球状内周面106と嵌合する保持器105の球状外周面112、および内側継手部材103の球状外周面108と嵌合する保持器105の球状内周面113の曲率中心は、いずれも継手中心Oに形成されている。これに対し、外側継手部材102のトラック溝107のボール軌道中心線xの曲率中心Ooと、内側継手部材103のトラック溝109のボール軌道中心線yの曲率中心Oiとは、継手中心Oに対して軸方向両側に等距離オフセットされている。これにより、継手が作動角をとった場合、外側継手部材102と内側継手部材103の両軸線がなす角度を二等分する平面上にボール104が常に案内され、二軸間で等速に回転トルクが伝達される。
【0005】
図12(b)に示すように、固定式等速自在継手101の主要機能である最大作動角θmaxは、外側継手部材102の開口端(内周縁部)に設けられる入口チャンファ110とシャフト111とが干渉する角度に依存する。シャフト111の軸径dは、許容伝達トルクを確保するためにジョイントサイズ毎に決められている。入口チャンファ110を大きくとると、ボール104が接触する外側継手部材102のトラック溝107の長さ(以下、「有効トラック長さ」という)が不足し、ボール104がトラック溝107から脱落して回転トルクが伝達できなくなる。このため、外側継手部材102の有効トラック長さを確保しつつ、入口チャンファ110を如何に設定するかが、作動角を確保する上で重要なファクターとなる。図12(a)(b)に示す等速自在継手101では、外側継手部材102のトラック溝107のボール軌道中心線xの曲率中心Ooが軸方向開口側にオフセットされているので、最大作動角の面で有利であり、最大作動角θmaxは47°程度である。
【0006】
また、上述した8個ボールタイプの等速自在継手は、従来の6個ボールタイプの等速自在継手に比べて、トラックオフセット量を小さくし、ボールの個数を増やし、かつ直径を小さくしたことにより、軽量・コンパクトでトルク損失の少ない高効率な等速自在継手を実現している。しかし、作動角0°の状態で外側継手部材102と内側継手部材103の対をなすトラック溝107,109間に形成される各くさび角が、外側継手部材102の開口側に向けて開いているので、トラック溝107,109からボール104に作用する軸方向の力により、外側継手部材102と保持器105の球面接触部106,112および内側継手部材103と保持器105の球面接触部108,113に作用する荷重が一定方向に向かって発生する。そのため、更なる高効率化や低発熱化に限度がある。
【0007】
そこで、更なる高効率化や低発熱化を実現すべく、図13(a)(b)に示すトラック溝交差タイプの固定式等速自在継手121が提案されている(例えば、下記の特許文献1を参照)。図13(a)は、等速自在継手121の作動角0°の状態における縦断面図であり、図13(b)は、等速自在継手121が高作動角を取った状態を示す概要図である。図13(a)に示すように、この等速自在継手121は、外側継手部材122、内側継手部材123、ボール124および保持器125を主な構成とする。この等速自在継手121は、図示は省略するが、外側継手部材122の8本のトラック溝127のボール軌道中心線xと継手中心Oとを含む平面が、継手の軸線n−nに対して傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合うトラック溝127で互いに反対方向に形成されている。そして、内側継手部材123のトラック溝129のボール軌道中心線yは、作動角0°の状態の継手中心平面(作動角0°の状態で継手中心Oを含んで継手の軸線n−nと直交する方向に延びる平面)Pを基準として、外側継手部材122の対となるトラック溝127のボール軌道中心線xと鏡像対称に形成されている。
【0008】
図13(a)に示すように、外側継手部材122の球状内周面126に形成されたトラック溝127は、軸方向に沿って円弧状に延び、その曲率中心は継手中心Oに位置する。内側継手部材123の球状外周面128に形成されたトラック溝129は、軸方向に沿って円弧状に延び、その曲率中心は継手中心Oに位置する。外側継手部材122と内側継手部材123の対をなす(半径方向に対向する)トラック溝127,129の交差部にボール124が介在している。外側継手部材122の球状内周面126と内側継手部材123の球状外周面128の間に、ボール124を円周方向所定間隔で保持する保持器125が配置されている。外側継手部材122の球状内周面126と嵌合する保持器125の球状外周面132、および内側継手部材123の球状外周面128と嵌合する保持器125の球状内周面133の曲率中心は、いずれも継手中心Oに形成されている。この等速自在継手121では、外側継手部材122および内側継手部材123のトラック溝127,129のボール軌道中心線x,yの曲率中心は継手中心Oに対して軸方向にオフセットされていないが、対をなすトラック溝127,129が交差し、この交差部にボール124が介在することにより、継手が作動角をとった場合、外側継手部材122と内側継手部材123の両軸線がなす角度を二等分する平面上にボール124が常に案内され、二軸間で等速に回転トルクが伝達されることになる。
【0009】
上述したトラック溝交差タイプの固定式等速自在継手121において、両継手部材122,123のトラック溝127,129は、周方向に隣り合うトラック溝で傾斜方向が互いに反対方向に形成されているので、保持器125の周方向に隣り合うポケット部125aにはボール124から相反する方向の力が作用する。この相反する方向の力により保持器125は継手中心O位置で安定する。このため、保持器125の球状外周面132と外側継手部材122の球状内周面126との接触力、および保持器125の球状内周面133と内側継手部材123の球状外周面128との接触力が抑制されて高負荷時や高速回転時に継手が円滑に作動するため、トルク損失や発熱が抑えられ、耐久性が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特開2009−250365号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
上述したトラック溝交差タイプの固定式等速自在継手121は、低発熱ジョイントとしては優れているものの、図13(b)に示すように、外側継手部材122の入口チャンファ130を大きくすると、トラック溝127の曲率中心が継手中心Oに一致している構造上、外側継手部材122のトラック溝127の有効トラック長さが不足し、高作動角θを取ったときにボール124がトラック溝127から脱落し、高作動角化が図れないという問題がある。
【0012】
そこで、本願発明者らは、上述したトラック溝交差タイプの固定式等速自在継手の高作動角化を図るために、両継手部材のトラック溝に直線状の部分を設けることを検討した。この等速自在継手が図14に示すものであり、図14(a)および図14(b)に、同等速自在継手の縦断面図および正面図をそれぞれ示す。図14(a)に示すように、この等速自在継手141において、外側継手部材142のトラック溝147は、作動角0°の
状態で継手中心Oを含んで継手の軸線n−nと直交する平面(継手中心平面)を境にしてその奥側および開口側を、それぞれ、継手中心Oを曲率中心とする円弧状のトラック溝147aおよび直線状のトラック溝147bとしたものである。一方、内側継手部材143のトラック溝149は、継手中心平面を境にしてその開口側および奥側を、それぞれ、継手中心Oを曲率中心とする円弧状のトラック溝149aおよび直線状のトラック溝149bとしたものである。
【0013】
そして、図14(b)に示すように、トラック溝147,149は、それぞれ、継手の軸線に対して周方向に傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合うトラック溝147A,147Bおよび149A,149Bで互いに反対方向に形成されている。外側継手部材142および内側継手部材143の対をなすトラック溝147A,149Aおよび147B,149Bの各交差部にボール144が配置されている。したがって、図示のような作動角0°の状態で両継手部材142,143が相対回転すると、トラック溝147A,149Aの間に形成されるくさび角の開く方向と、147B,149Bの間に形成されるくさび角の開く方向とが互いに反対方向となり、保持器145の周方向に隣り合うポケット部145aにボール144から相反する方向の力が作用することから、保持器145は継手中心O位置で安定する。このため、保持器145の球状外周面152と外側継手部材142の球状内周面146との接触力、および保持器145の球状内周面153と内側継手部材143の球状外周面148との接触力が抑制され、継手の作動性が向上する結果、トルク損失や発熱が抑えられ、耐久性が向上する。
【0014】
上記したように、外側継手部材142のトラック溝147のうち、継手中心平面から開口側の領域に直線状のトラック溝147bを形成すれば、有効トラック長さを増加させて高作動角化を図ることができる。ところが、上述した構成では、使用頻度の多い作動角を取ったときに、継手のトルク損失や発熱の抑制という面で問題があることが判明した。この理由を図15に基づいて説明する。
【0015】
トラック溝147,149とボール144は、通常、接触角(30°〜45°程度)をもって接触しているので、トラック溝147,149とボール144とは、図15に示すようにトラック溝147、149の溝底より少し離れたトラック溝147,149の側面側の破線で示す位置で接触している。継手が作動角を取ったとき、各ボール144には、トラック溝147,149の交差によるくさび角成分(図示省略)と、トラック溝147,149の溝底間の継手半径方向の拡がりによるくさび角成分αの両方が作用する。そのうち、トラック溝147,149の交差によるくさび角成分については、トラック溝147,149の傾斜方向が互いに反対方向になっているため、ボール144から保持器145のポケット部145aに相反する方向の力が作用ことにより、打消し合い、力がバランスすることとなる。
【0016】
ところが、図15に示すように、トラック溝147,149の溝底間の継手半径方向の拡がりによるくさび角成分αについては、図14(b)において、0°〜90°および270°〜360°の位相範囲にあるボール144は直線状のトラック溝147b,149b間に位置し、この位相範囲のボール144には開口側に向けて開いたくさび角成分α1により開口側への力が作用する。一方、90°〜270°の位相範囲にあるボール144は円弧状のトラック溝147a,149a間に位置するので、この位相範囲のボールには継手の半径方向の拡がりにより発生するくさび角成分α2が0であり、ボール144の押出力は発生しない。したがって、各ボール144に対して、トラック溝147,149の交差によるくさび角成分と、トラック溝147,149の溝底間の継手半径方向の拡がりによるくさび角成分αとを合わせると、保持器145の各ポケット部145aにボール144から作用する力が釣り合わず、保持器145の球状外周面152と外側継手部材142の球状内周面146との接触部、および保持器145の球状内周面153と内側継手部材143の球状外周面148との接触部における接触力を低減させることができないという問題が生じる。特に、常用角を含む使用頻度の多い作動角の範囲では、トルク損失や発熱の抑制という面で大きな問題があることが判明した。
【0017】
以上の実情に鑑み、本発明は、トルク損失および発熱が少なく高効率で、耐久性に優れるものでありながら、高作動角を取ることができる固定式等速自在継手を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0018】
本願発明者らは、上記の目的を達成するために種々検討した結果、トルク損失および発熱を少なくして高効率化を図るために、外側継手部材および内側継手部材のトラック溝のそれぞれに、相手側と協働して交差部(交差トラック)を形成し得る円弧状の第1トラック溝部を設けて使用頻度の多い作動角の範囲をカバーすると共に、両継手部材のトラック溝のそれぞれに、第1トラック溝部とは異なる形状を有する第2トラック溝部を設けて使用頻度の少ない高作動角の範囲をカバーするという新規な着想に至った。これに加えて、最大作動角に対する有効トラック長さを増加させて高作動角化を図るために、円弧状の第1トラック溝部の曲率中心を継手中心に対して開口側にオフセットさせることを着想した。
【0019】
上記の目的を達成するために創案された本発明は、球状内周面に軸方向に延びる複数のトラック溝が形成され、軸方向に離間する開口側と奥側を有する外側継手部材と、球状外周面に外側継手部材のトラック溝と対をなす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してトルクを伝達する複数のボールと、このボールを保持し、外側継手部材の球状内周面および内側継手部材の球状外周面にそれぞれ嵌合する球状外周面および球状内周面を有する保持器とを備えた固定式等速自在継手において、外側継手部材のトラック溝は奥側に位置する第1トラック溝部と開口側に位置する第2トラック溝部とからなり、第1トラック溝部は、継手中心に対して開口側にオフセットした位置に曲率中心を有する円弧状をなし、かつ継手の軸線に対して周方向に傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合う第1トラック溝部で互いに反対方向に形成されており、第2トラック溝部は、最大作動角に対する有効トラック長さを増加させるために第1トラック溝部とは異なる形状を有し、かつ継手中心よりも開口側で第1トラック溝部と接続され、内側継手部材のトラック溝は、作動角0°の状態の継手中心平面を基準として、外側継手部材の対となるトラック溝と鏡像対称に形成されていることを特徴とする。なお、ここでいう「継手の軸線」とは、継手の回転中心となる長手方向の軸線を意味し、後述する実施形態における継手の軸線N−Nを指す。また「作動角0°の状態の継手中心平面」とは、厳密に言うと、作動角0°の状態で継手中心を含んで継手の軸線と直交する方向に延びる平面である。
【0020】
本発明では、外側継手部材のトラック溝において、その開口側に設けられる有効トラック長さを増加させるための第2トラック溝部が継手中心よりも開口側で第1トラック溝部に接続される(内側継手部材のトラック溝においては、その奥側に設けられる第2トラック溝部が継手中心よりも奥側で第1トラック溝部に接続される)。これはすなわち、本発明に係る固定式等速自在継手では、図14を参照して説明した等速自在継手141と比較して、トルク損失等の抑制効果に優れた交差トラックを形成する第1トラック溝部の形成範囲が拡大されることを意味する。そのため、常用作動角の範囲におけるトルク損失や発熱を抑制して高効率化を図ることができる。その一方で、円弧状の第1トラック溝部は、継手中心に対して開口側にオフセットした曲率中心を有することから、このオフセット量を、上記構成を採用したことにより得られるトルク損失等の抑制効果(継手の効率性)が損なわれない範囲で適宜調整することにより、第2トラック溝部の長さ(有効トラック長さ)を効果的に増加させて高作動角化を図ることができる。従って、本発明によれば、トルク損失および発熱が少なく高効率で、耐久性に優れるものでありながら、高作動角を取ることができる固定式等速自在継手を実現することができる。
【0021】
第1トラック溝部と第2トラック溝部とが接続される点と継手中心とを結ぶ直線が作動角0°の状態の継手中心平面に対してなす角度をβとしたとき、この角度βを使用状態等に応じて適宜設定することにより、固定式等速自在継手の高効率化を適切に実現することができる。特に自動車用等速自在継手の常用作動角度範囲を考慮すると、角度βを3〜10°に設定にすることで種々の車種に汎用することができる。なお、ここでいう角度βは、上記の直線が作動角0°の状態の継手中心平面上の直線となす角の中で最小のものと定義する。
【0022】
第1トラック溝部の曲率中心は、継手中心に対して開口側にオフセットされている限りにおいて、その半径方向位置を任意に設定することができる。すなわち、第1トラック溝部の曲率中心は、継手の軸線N−Nに対して周方向に傾斜した傾斜軸N’−N’上に配置しても良いし(図4や図5等を参照)、傾斜軸N’−N’に対して半径方向にオフセットした位置に配置しても良い(図10を参照)。第1トラック溝部の曲率中心を継手の軸線に対して半径方向にオフセットさせた場合には、そのオフセット量に応じて継手の奥側のトラック溝深さを調整することができるので、最適なトラック溝深さを確保することが可能となる。
【0023】
保持器の球状外周面の曲率中心を、継手中心に対して開口側にオフセットした位置に配置し、保持器の球状内周面の曲率中心を、継手中心に対して奥側にオフセットした位置に配置することができる。このようにすれば、保持器の肉厚を開口側に向かって徐々に厚くすることができるので、特に高作動角時の保持器の強度を確保して継手の信頼性を高めることができる。
【0024】
第2トラック溝部は、第1トラック溝部の半径方向外側で、かつ継手中心よりも開口側にオフセットされた位置を曲率中心とした円弧状部分を有するものとすることができる。これにより、有効トラック長さを増加させて最大作動角を大きくすることができる。この場合、第2トラック溝部は、上記の円弧状部分のみからなり、この円弧状部分が第1トラック溝部に滑らかに接続されたものとしても良いし、上記の円弧状部分と直線状部分とからなり、直線状部分が第1トラック溝部に滑らかに接続されたものとしても良い。
【0025】
トルク伝達ボールの個数は、8個、10個又は12個の何れかとするのが望ましい。このようにすれば、軽量コンパクトで、高効率で、高作動角が取れる固定式等速自在継手、ひいては自動車のドライブシャフトを実現することができる。
【発明の効果】
【0026】
本発明により、トルク損失および発熱が少なく高効率で、耐久性に優れるものでありながら、高作動角を取ることができるコンパクトな固定式等速自在継手を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】(a)図は本発明の第1の実施形態に係る固定式等速自在継手の部分縦断面図であり、(b)図は同正面図である。
【図2】(a)図は図1に示す固定式等速自在継手を構成する外側継手部材の部分縦断面図であり、(b)図は同正面図である。
【図3】(a)〜(c)図は、それぞれ、図1に示す固定式等速自在継手を構成する内側継手部材の背面図、側面図および正面図である。
【図4】図2に示す外側継手部材のトラック溝の詳細を示す部分縦断面図である。
【図5】図3に示す内側継手部材のトラック溝の詳細を示す縦断面図である。
【図6】(a)図は、図1に示す等速自在継手が最大作動角を取った状態を示す概要図であり、(b)図は、図16に示す等速自在継手が最大作動角を取った状態を示す概要図である。
【図7】外側継手部材と内側継手部材の斜視図である。
【図8】図1に示す固定式等速自在継手が組み込まれた自動車用ドライブシャフトの一例を示す図である
【図9】本発明の第2の実施形態に係る固定式等速自在継手で使用される外側継手部材の縦断面図である。
【図10】本発明の第3の実施形態に係る固定式等速自在継手で使用される外側継手部材の縦断面図である。
【図11】本発明の第4実施形態に係る固定式等速自在継手で使用される保持器の部分縦断面図である。
【図12】従来の固定式等速自在継手の縦断面図である。
【図13】従来の固定式等速自在継手の縦断面図である。
【図14】(a)図は本発明に至る過程で検討した固定式等速自在継手の部分縦断面図、(b)図はその右側面図である。
【図15】図14(a)に示す固定式等速自在継手が作動角をとった状態を示す部分断面図であり、本発明に至る過程における技術的知見を説明する図である。
【図16】本発明に至る過程における技術的知見を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
本発明の実施の形態を図1〜図11に基づいて説明する。
【0029】
図1(a)に本発明の第1の実施形態に係る固定式等速自在継手1(以下、単に「等速自在継手1」ともいう)の部分縦断面図を示し、図1(b)に等速自在継手1を開口側からみたときの正面図[図1(a)の右側面図]を示す。この等速自在継手1は、トラック溝交差タイプに分類されるものであり、外側継手部材2、内側継手部材3、ボール4および保持器5を主な構成とする。図2にも示すように、外側継手部材2の球状内周面6には軸方向に延びる8本のトラック溝7が形成されており、各トラック溝7は、継手の軸線N−Nに対して周方向に角度γ傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合うトラック溝7(7A,7B)で互いに反対方向に形成されている。また、図3にも示すように、内側継手部材3の球状外周面8には軸方向に延びる8本のトラック溝9が形成されており、各トラック溝9は、継手の軸線N−Nに対して周方向に角度γ傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合うトラック溝9(9A,9B)で互いに反対方向に形成されている。そして、外側継手部材2と内側継手部材3の対をなすトラック溝7,9の各交差部にボール4がそれぞれ配置されている。外側継手部材2のトラック溝7(7A,7B)、および内側継手部材3のトラック溝9(9A,9B)の詳細については後述する。
【0030】
ここで、トラック溝7,9の形態(傾斜状態や湾曲状態など)や形状を的確に示すために、以下では「ボール軌道中心線」なる用語を用いる。ボール軌道中心線とは、対をなすトラック溝7,9間に介在するボール4がトラック溝7,9に沿って移動するときに、ボール4の中心が描く軌跡を意味する。したがって、トラック溝7,9の傾斜状態や湾曲状態はそのボール軌道中心線の傾斜状態や湾曲状態と同じである。
【0031】
外側継手部材2のトラック溝7はボール軌道線Xを有する。詳述すると、トラック溝7は、奥側に設けられ、継手中心Oに対して開口側に寸法f1(図4参照)だけオフセットした点Oo1を曲率中心とした円弧状のボール軌道中心線Xaを有する第1トラック溝部7aと、開口側に設けられ、第1トラック溝部7aとは反対方向に湾曲した円弧状のボール軌道中心線Xbを有する第2トラック溝部7bとからなる。すなわち、本実施形態の第2トラック溝部7bは、第1トラック溝部7aとは形状の異なる(反対方向に湾曲した)円弧状部分のみからなり、そのボール軌道中心線Xb(の奥側端部)は、第1トラック溝部7aのボール軌道中心線Xaの開口側端部に滑らかに接続されている。また、第1トラック溝部7aの曲率中心であるオフセット点Oo1は、継手の軸線N−Nに対して角度γだけ傾斜した傾斜軸N’−N’(図4を参照。但し、角度γについては図2(a)を参照)上に配置されており、継手中心Oに対して半径方向にオフセットしていない。
【0032】
図2(a)(b)にそれぞれ示す外側継手部材2の部分縦断面図および開口側から見た正面図(右側面図)を参照しながら、外側継手部材2のトラック溝7が継手の軸線N−Nに対して周方向に角度γだけ傾斜している状態を詳細に説明する。外側継手部材2のトラック溝7は、その傾斜方向の違いから、トラック溝7A,7Bの符号を付す。図2(a)に示すように、トラック溝7Aのボール軌道中心線Xと継手中心Oを含む平面Mは、継手の軸線N−Nに対して角度γだけ傾斜している。そして、図示は省略するが、トラック溝7Aと周方向に隣り合うトラック溝7Bは、継手の軸線N−Nに対して、トラック溝7Aの傾斜方向とは反対方向に角度γだけ傾斜している。本実施形態では、トラック溝7A(および7B)のボール軌道中心線Xの全域、すなわち、第1トラック溝部7aのボール軌道中心線Xaおよび第2トラック溝部7bのボール軌道中心線Xbの双方が平面M上に形成されている。しかし、これに限られるものではなく、第1トラック溝部7aのボール軌道中心線Xaのみが平面Mに含まれている形態を採用することもできる。したがって、少なくとも第1トラック溝部7aのボール軌道中心線Xaと継手中心Oを含む平面Mが、継手の軸線N−Nに対して周方向に角度γだけ傾斜すると共に、その傾斜方向が周方向に隣り合う第1トラック溝部7aで互いに反対方向に形成されていればよい。
【0033】
ここで、トラック溝の符号について補足する。外側継手部材2のトラック溝全体を指す場合は符号7を付し、その第1および第2トラック溝部に符号7a,7bをそれぞれ付している。さらに、傾斜方向が互いに異なるトラック溝を区別するために符号7A,7Bを付し、トラック溝7A,7Bの第1トラック溝部に符号7Aa,7Baを、また、トラック溝7A,7Bの第2トラック溝部に符号7Ab,7Bbをそれぞれ付している。以下に詳述する内側継手部材3のトラック溝9についても同様の要領で符号を付している。
【0034】
内側継手部材3のトラック溝9はボール軌道中心線Yを有する。詳述すると、トラック溝9は、継手中心Oに対して奥側に寸法f1(図5参照)だけオフセットした点Oi1を
曲率中心とした円弧状のボール軌道中心線Yaを有する第1トラック溝部9aと、奥側に設けられ、第1トラック溝部9aとは反対方向に湾曲した円弧状のボール軌道中心線Ybを有する第2トラック溝部9bとからなる。すなわち、本実施形態の第2トラック溝部9bは、第1トラック溝部9aとは形状の異なる(反対方向に湾曲した)円弧状部分のみからなり、そのボール軌道中心線Ybの開口側端部は、第1トラック溝部9aのボール軌道中心線Yaの奥側端部に滑らかに接続されている。また、第1トラック溝部9aの曲率中心であるオフセット点Oi1は、継手の軸線N−Nに対して角度γだけ傾斜した傾斜軸N’−N’(図5を参照。但し、角度γについては図3(b)を参照)上に配置されており、継手中心Oに対して半径方向にオフセットしていない。
【0035】
図3(a)〜(c)にそれぞれ示す内側継手部材3の背面図、側面図および正面図を参照しながら、内側継手部材3のトラック溝9が継手の軸線N−Nに対して周方向に傾斜している状態を詳細に説明する。内側継手部材3のトラック溝9は、その傾斜方向の違いから、トラック溝9A,9Bの符号を付す。図3(b)に示すように、トラック溝9Aのボール軌道中心線Yと継手中心Oを含む平面Qは、継手の軸線N−Nに対して角度γだけ傾斜している。そして、図示は省略するが、トラック溝9Aに周方向に隣り合うトラック溝9Bは、トラック溝9Bのボール軌道中心線Yと継手中心Oを含む平面Qが、継手の軸線N−Nに対して、トラック溝9Aの傾斜方向とは反対方向に角度γだけ傾斜している。平面Q(および上述した平面M)の継手の軸線N−Nに対する傾斜角γは、等速自在継手1の作動性および内側継手部材3のトラック溝9の最も接近した側の球面幅Fを考慮し、4°〜12°にすることが好ましい。また、上述した外側継手部材2と同様、本実施形態では、トラック溝9Aのボール軌道中心線Yの全域、すなわち、第1トラック溝部9aのボール軌道中心線Yaおよび第2トラック溝部9bのボール軌道中心線Ybの双方が平面Q上に形成されている。しかし、これに限られるものではなく、第1トラック溝部9aのボール軌道中心線Yaのみが平面Qに含まれている形態も実施することができる。したがって、少なくとも第1トラック溝部9aのボール軌道中心線Yaと継手中心Oを含む平面Qが継手の軸線N−Nに対して周方向に傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合う第1トラック溝部9aで互いに反対方向に形成されていればよい。
【0036】
以上の構成から、内側継手部材3のトラック溝9のボール軌道中心線Yは、作動角0°の状態の継手中心平面Pを基準として、外側継手部材2の対となるトラック溝7のボール軌道中心線Xと鏡像対称に形成されている。なお、図示は省略するが、両継手部材2,3のトラック溝7,9の横断面形状は楕円形状やゴシックアーチ形状に形成されており、トラック溝7,9とボール4は30°〜45°程度の接触角をもって接触する、いわゆるアンギュラコンタクトとなっている。したがって、ボール4は、トラック溝7,9の溝底より少し離れたトラック溝7,9の側面側でトラック溝7,9と接触している。
【0037】
次に、図4に示す外側継手部材2の部分縦断面図に基づいて、外側継手部材2の縦断面より見たトラック溝の詳細を説明する。なお、図4は、図2(a)中に示すトラック溝7Aのボール軌道中心線Xと継手中心Oを含む平面Mで見た断面図である。したがって、図4は、厳密には継手の軸線N−Nを含む平面における縦断面図ではなく、継手の軸線N−Nに対して角度γだけ傾斜した傾斜軸N’−N’を含む平面における縦断面を示している。また、図4には、外側継手部材2のトラック溝7Aのみを示しているが、トラック溝7Bは、トラック溝7Aと反対方向に傾斜しているだけで、その他の構成はトラック溝7Aと同じであることから、図示しての詳細な説明は省略する。
【0038】
外側継手部材2の球状内周面6には、ボール軌道中心線Xを有するトラック溝7Aが軸方向に沿って形成されている。このトラック溝7Aは、継手中心Oに対して開口側に寸法f1だけオフセットした点Oo1を曲率中心とした円弧状のボール軌道中心線Xaを有する第1トラック溝部7Aaと、この第1トラック溝部7Aaとは反対方向に湾曲した円弧状のボール軌道中心線Xb、より詳しくは、第1トラック溝部7Aaの半径方向外側で、かつオフセット点Oo1よりオフセット量が大きい点Oo2を曲率中心とした円弧状のボール軌道中心線Xbを有する第2トラック溝部7Abとからなる。すなわち、第2トラック溝部7Aaは円弧状部分のみからなり、そのボール軌道中心線Xbの奥側端部は、第1トラック溝部7Aaのボール軌道中心線Xaの開口側端部A(両オフセット点Oo1,Oo2を結ぶ直線L1とトラック溝7Aのボール軌道中心線Xとが交わる点)に滑らかに接続されている。第1トラック溝部7Aaの開口側端部Aと継手中心Oとを結ぶ直線をL2としたとき、この直線L2と、トラック溝7Aのボール軌道中心線Xと継手中心Oを含む平面M(図2(a)参照)上に投影された継手の軸線N’−N’の継手中心Oにおける垂線Kとがなす角度β’を含む平面は、継手の軸線N−Nに対して角度γだけ傾斜している。上記の垂線Kは作動角0°の状態の継手中心平面P上にある。したがって、直線L2が作動角0°の状態の継手中心平面Pに対してなす角度βは、sinβ=sinβ’×cosγの関係になる。本実施形態では、外側継手部材2の第1トラック溝部7Aaおよび第2トラック溝部7Abを、それぞれ単一の円弧状部分で形成しているが、これに限られず、トラック溝深さなどを考慮して複数の円弧状部分で形成してもよい。
【0039】
同様に、図5に基づいて、内側継手部材3の縦断面よりトラック溝の詳細を説明する。図5は、図3(b)のトラック溝9Aのボール軌道中心線Yと継手中心Oを含む平面Qで見た断面図である。したがって、厳密にいうと図5は、図4と同様に、継手の軸線N−Nを含む平面における縦断面図ではなく、継手の軸線N−Nに対して角度γだけ傾斜した傾斜軸N’−N’を含む平面における断面を示している。また、図5には、内側継手部材3のトラック溝9Aのみを示しているが、トラック溝9Bは、トラック溝9Aと反対方向に傾斜しているだけで、その他の構成はトラック溝9Aと同じであるので、図示しての詳細な説明は省略する。
【0040】
内側継手部材3の球状外周面8には、ボール軌道中心線Yを有するトラック溝9Aが軸方向に沿って形成されている。このトラック溝9Aは、継手中心Oに対して寸法f1だけ奥側にオフセットした点Oi1を曲率中心とした円弧状のボール軌道中心線Yaを有する第1トラック溝部9Aaと、この第1トラック溝部9Aaとは反対方向に湾曲した、より詳しくは、第1トラック溝部9Aaのボール軌道中心線Yaの半径方向外側で、かつオフセット点Oi1よりオフセット量が大きい点Oi2を曲率中心とした円弧状のボール軌道中心線Ybを有する第2のトラック溝部9Abとからなる。すなわち、第2トラック溝部9Abは円弧状部分のみからなり、そのボール軌道中心線Ybの開口側端部は、第1トラック溝部9Aaのボール軌道中心線Yaの奥側端部B(両オフセット点Oi1,Oi2を結ぶ直線R1とトラック溝9Aのボール軌道中心線Yとが交わる点)に滑らかに接続されている。第1トラック溝部9Aaの奥側端部Bと継手中心Oとを結ぶ直線をR2としたとき、この直線R2と、トラック溝9Aのボール軌道中心線Yと継手中心Oを含む平面Q(図3(b)参照)上に投影された継手の軸線N’−N’の継手中心Oにおける垂線Kとがなす角度β’を含む平面は、継手の軸線N−Nに対して角度γだけ傾斜している。上記の垂線Kは作動角0°の状態の継手中心平面P上にある。したがって、直線R2が作動角0°の状態の継手中心平面Pに対してなす角度βは、sinβ=sinβ’×cosγの関係になる。本実施形態では、内側継手部材3の第1トラック溝部9Aaおよび第2トラック溝部9Abをそれぞれ単一の円弧状部分で形成しているが、両トラック溝部9Aa,9Abは、前述した外側継手部材2のトラック溝と同様に、トラック溝深さなどを考慮して、それぞれ複数の円弧で形成してもよい。
【0041】
次に、直線L2、R2が作動角0°の状態の継手中心平面Pに対してなす角度βについて説明する。作動角θを取ったとき、外側継手部材2および内側継手部材3の上記平面Pに対して、ボール4がθ/2だけ移動する。使用頻度が多い作動角の1/2より角度βを決め、使用頻度が多い作動角の範囲においてボール4が接触するトラック溝の範囲を決める。ここで、使用頻度が多い作動角について定義する。まず、継手の常用角とは、水平で平坦な路面上で1名乗車時の自動車において、ステアリングを直進状態にした時にフロント用ドライブシャフトの固定式等速自在継手で生じる作動角をいう。常用角は、通常、2°〜15°の間で車種ごとの設計条件に応じて選択・決定される。そして、使用頻度の多い作動角とは、上記の自動車が、例えば、交差点の右折・左折時などに生じる高作動角ではなく、連続走行する曲線道路などで固定式等速自在継手に生じる作動角をいい、これも車種ごとの設計条件に応じて決定される。使用頻度の多い作動角は最大20°を目処とする。これにより、直線L2、R2が作動角0°の状態の継手中心平面Pに対してなす角度βを3°〜10°と設定する。ただし、角度βは3°〜10°に限定されるものではなく、車種の設計条件に応じて適宜設定することができる。角度βを3°〜10°に設定することで種々の車種に汎用することができる。
【0042】
上記の角度βにより、図4において、第1トラック溝部7Aaのボール軌道中心線Xaの開口側端部Aは、使用頻度が多い作動角時に軸方向に沿って最も開口側に移動したときのボール4の中心位置となる。同様に、内側継手部材3では、図5において、第1トラック溝部9Aaのボール軌道中心線Yaの奥側端部Bは、使用頻度が多い作動角時に軸方向に沿って最も奥側に移動したときのボール4の中心位置となる。このように設定されているので、使用頻度が多い作動角の範囲では、ボール4は、外側継手部材2および内側継手部材3の第1トラック溝部7Aa,9Aa、およびこれらとは傾斜方向が反対の第1トラック溝部7Ba,9Ba(図2,図3参照)の範囲内、すなわち交差トラックの範囲内に位置する。
【0043】
この場合、保持器5の周方向に隣り合うポケット部5aにボール4から相反する方向の力が作用するため、両継手部材2,3の第1トラック溝部7a,9aの曲率中心が継手中心Oに位置するのであれば、保持器5は継手中心Oの位置で安定することとなる。保持器5が継手中心Oの位置で安定すれば、保持器5の球状外周面12と外側継手部材2の球状内周面6との接触力、および保持器5の球状内周面13と内側継手部材3の球状外周面8との接触力が最大限に抑制され、高負荷時や高速回転時における継手の円滑な作動性が確保されるため、トルク損失や発熱を効果的に抑制して高効率化を達成することができる。
【0044】
しかしながら、有効トラック長さを増加させて高作動角化を図るべく、外側継手部材2のトラック溝7の開口部側に第1トラック溝部7aとは異なる形状の第2トラック溝部7bを設けた場合(特に、本実施形態のように、第1トラック溝部7aとは反対方向に湾曲した円弧状の第2トラック溝部7bを設けた場合)、両継手部材2,3の第1トラック溝部7a,9aの曲率中心を継手中心Oに配置すると、より一層の高作動角度化を図る上で制約が生じる。その理由を、図16を参照しながら詳述する。
【0045】
図16は、球状内周面に、継手中心Oを曲率中心とした円弧状のボール軌道中心線Xa’を有する第1トラック溝部7Aa’と、第1トラック溝部7Aa’とは反対方向に湾曲し、第1トラック溝部7Aa’(ボール軌道中心線Xa’)の開口側端部A’に滑らかに接続された円弧状のボール軌道中心線Xb’を有する第2トラック溝部7Ab’とからなるトラック溝7A’が形成された外側継手部材の要部断面図である。なお、第1トラック溝部7Aa’の開口側端部A’の位置(角度β’)は、上述した本発明の第1実施形態に係る等速自在継手1を構成する外側継手部材2と同じである。また、図示は省略するが、図16に示す外側継手部材2’の内周には、球状外周面に、作動角0°の状態の継手中心平面Pを基準として、対をなす外側継手部材2’のトラック溝7A’と鏡像対称のトラック溝が形成された内側継手部材が配設される。
【0046】
この場合、有効トラック長さを増加させるためには、外側継手部材2’の第2トラック溝部7Ab’の長さ、さらに言えば第2トラック溝部7Ab’の曲率半径をできるだけ小さくすることが有効となる。すなわち、外側継手部材2’の開口端に設けられている入口チャンファ10の角度が定まっていると仮定すると、第2トラック溝部7Ab’(ボール軌道中心線Xb’)の曲率中心を、図16中のオフセット点Oox1に配置した場合の方が、図16中のオフセット点Oox2に配置する場合よりも第2トラック溝部7Ab’の長さ(有効トラック長さ)を増加することができる。しかしながら、第2トラック溝部7Ab’の曲率半径を小さくすればするほど、継手が高作動角をとったときに、この外側継手部材2’のトラック溝7A’と、これと対をなす内側継手部材のトラック溝との間に形成されるくさび角が大きくなってボールを開口側に押し出す力が高まることから、保持器5のポケット部5aに発生する荷重が高くなり、継手の耐久性及び強度が低下する。
【0047】
このような問題が生じるのを可及的に防止すべく、本発明では、上述したように、外側継手部材2の第1トラック溝部7aの曲率中心を継手中心Oから開口側にオフセットした点Oo1に位置させることとした。このようにすれば、第1トラック溝部の曲率中心位置以外の設計条件を同じくする限りにおいては、図6(a)に示す本発明を適用した場合の方が、図6(b)に示すもの(外側継手部材2’の第1トラック溝部7Aa’の曲率中心を継手中心Oに配置したものであって、図16に示すものと同一構造)と比較して、第2トラック溝部の曲率中心を奥側に位置させることが可能となる[図6(a)に示す第2トラック溝部7Abの曲率中心となるオフセット点Oo2の位置と、図6(b)に示す第2トラック溝部7Ab’の曲率中心となるオフセット点Oo2’の位置とを参照]ので、トラック余裕量を増加させることができる。ここで、「トラック余裕量」とは、継手が作動角[図6(a)(b)では最大作動角]θをとったときにおけるボール4と外側継手部材2(2’)のトラック溝7(7’)との接触点Cpから、外側継手部材2(2’)の入口チャンファ10の縁部に至るまでの寸法zである。詳述すると、接触点Cpから、接触点の軌跡と入口チャンファ10の縁部の交点までの距離である。従って、これが大きいほど、ボールがトラック溝から脱落し難い構造であると言え、継手の最大作動角を大きくするうえで有利となる。
【0048】
なお、トラック余裕量についてより詳しく説明しておく。継手が最大作動角θをとったとき、図6(a)(b)に示すように、ボール4の中心点Obと継手中心Oとを結ぶ直線は、継手中心平面Pに対してθ/2だけ傾斜する。このとき、ボールとトラック溝との接触点Cpから入口チャンファ10の縁部に至るまでの寸法zがトラック余裕量であり、図6(a)に示す本発明の実施形態の方が、図6(b)に示す比較対象に比べてトラック余裕量(寸法z)が増加している。
【0049】
従って、外側継手部材2のトラック溝7(7A,7B)の開口側に、第1トラック溝部7a(7Aa,7Ba)のボール軌道中心線Xaとは反対側に湾曲した円弧状のボール軌道中心線Xbを有する第2トラック溝部7b(7Ab,7Bb)を設けると共に、第1トラック溝部7a(7Aa,7Ba)の曲率中心を継手中心Oから開口側にオフセットした点Oo1に位置させるようにすれば、トラック余裕量を大きく確保して、継手の最大作動角を大きくすることができる。
【0050】
なお、第1トラック溝部7a,9aの曲率中心の継手中心Oに対するオフセット量が大きくなるほど、トルク損失や発熱の抑制効果が薄れる(継手の効率性が低下する)こととなるが、トルク損失等の抑制効果が過度に薄れない程度に、第1トラック溝部7a,9aのオフセット量を調整すれば、使用頻度の多い継手常用角の範囲を交差トラック構造でカバーしたことによるトルク損失等の抑制効果が、第1トラック溝部7a,9aの曲率中心を継手中心Oに対して軸方向にオフセットさせたことによるマイナス分を上回る。また、本発明に係る等速自在継手1の構造上、高作動角の範囲では、周方向に配置されたボール4が、第1トラック溝部と第2トラック溝部とに一時的に分かれて位置する。これに伴い、保持器5の各ポケット部5aにボール4から作用する力が釣り合わず、保持器5の球状外周面12と外側継手部材2の球状内周面6との接触部、および保持器5の球状内周面13と内側継手部材3の球状外周面8との接触部で接触力が発生するが、高作動角の範囲は使用頻度が少ない。従って、本発明に係る等速自在継手1は、総合的にみると、図14に示した等速自在継手141と比較して、トルク損失や発熱を効果的に抑制することができる。以上のことから、本発明によれば、トルク損失および発熱が少なく高効率で、耐久性に優れるものでありながら、高作動角を取ることができる固定式等速自在継手を実現することができる。
【0051】
なお、本実施形態の等速自在継手1においては、保持器5のポケット部5aとボール4との嵌め合いをすきま設定にしてもよい。この場合、前記すきまのすきま幅は0〜40μm程度に設定するのが好ましい。すきま設定にすることにより、保持器5のポケット部5aに保持されたボール4をスムーズに作動させることができ、更なるトルク損失の低減を図ることができる。
【0052】
図7に、以上で説明した等速自在継手1の構成部材である外側継手部材2と内側継手部材3の斜視図を示す。この斜視図は、これまでに説明したトラック溝を立体的に示している。図7(a)に示すように、外側継手部材2の球状内周面6に、継手の軸線N−N(図示省略)に対して周方向に傾斜したトラック溝7A,7Bが交互に形成され、かつトラック溝7A,7Bの傾斜方向は互いに反対方向となっている。トラック溝7A,7Bは、それぞれ、第1トラック溝部7Aa,7Baと第2トラック溝部7Ab,7Bbとからなる。外側継手部材2の開口端に入口チャンファ10が設けられている。また、図7(b)に示すように、内側継手部材3の球状外周面8には、継手の軸線N−N(図示省略)に対して周方向に傾斜したトラック溝9A,9Bが交互に形成され、かつトラック溝9A,9Bの傾斜方向は互いに反対方向となっている。トラック溝9A,9Bは、それぞれ、第1トラック溝部9Aa,9Baと第2トラック溝部9Ab,9Bbとからなる。
【0053】
図8は、本発明の第1の実施形態に係る固定式等速自在継手1を組み込んだ自動車のフロント用ドライブシャフト20を示す。固定式等速自在継手1は中間シャフト11の一端に連結され、他端には摺動式等速自在継手(図示例はトリポード型等速自在継手)15が連結されている。固定式等速自在継手1の外周面とシャフト11の外周面との間、および摺動式等速自在継手15の外周面とシャフト11の外周面との間には、蛇腹状ブーツ16a,16bがブーツバンド18によりそれぞれ取り付け固定されている。継手内部には、潤滑剤としてのグリースが封入されている。本発明に係る固定式等速自在継手1を使用したので、トルク損失や発熱が小さく高効率で、かつ高作動角が取れ、軽量・コンパクトな自動車用ドライブシャフト20が実現される。
【0054】
以上、本発明の第1の実施形態に係る等速自在継手1について説明を行ったが、等速自在継手1には、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。以下、本発明の他の実施形態に係る等速自在継手について説明を行うが、以下では、上述した第1の実施形態と異なる構成について重点的に説明を行うこととし、第1の実施形態と同様の機能を奏する部材・部位には同一の符号を付して重複説明を省略することとする。
【0055】
図9に、本発明の第2の実施形態に係る固定式等速自在継手の要部断面図を示す。同図は、固定式等速自在継手に組み込んで使用される外側継手部材の断面図であり、より詳しくは、図4と同様、トラック溝7Aのボール軌道中心線Xと継手中心Oを含む平面M(図2(a)参照)で見た外側継手部材の断面図である。そして、この実施形態の等速自在継手は、外側継手部材および内側継手部材のトラック溝に設けた第2トラック溝部が、直線状部分と円弧状部分(第1トラック溝部とは反対側に湾曲した円弧状部分)とからなる点において、上述した第1の実施形態の等速自在継手と構成を異にしている。
【0056】
詳述すると、外側継手部材2の第2トラック溝部7bのボール軌道中心線Xbの曲率中心Oo2は、第1トラック溝部7a(のボール軌道中心線Xa)の曲率中心Oo1と第1トラック溝部7a(のボール軌道中心線Xa)の開口側端部Aとを結ぶ直線L1から開口側にf2だけ移動させた位置にある。そのため、第1トラック溝部7aのボール軌道中心線Xaの開口側端部Aに第2トラック溝部7bのボール軌道中心線Xbの直線状部分(の奥側端部)が接続され、この直線状部分の開口側端部(点C)に第2トラック溝部7bのボール軌道中心線Xbの円弧状部分が接続されている。そして、図示は省略するが、内側継手部材3のトラック溝9のボール軌道中心線Yは、作動角0°の状態の継手中心平面Pを基準として、外側継手部材2の対となるトラック溝7のボール軌道中心線Xと鏡像対称に形成されている。
【0057】
図10に、本発明の第3の実施形態に係る固定式等速自在継手の要部断面図を示す。同図は、固定式等速自在継手に組み込んで使用される外側継手部材の断面図であり、より詳しくは、図4および図9と同様に、トラック溝7Aのボール軌道中心線Xと継手中心Oを含む平面M(図2(a)参照)で見た外側継手部材の断面図である。この実施形態の等速自在継手は、主に、外側継手部材および内側継手部材のトラック溝に設けた第1トラック溝部のボール軌道中心線の曲率中心が、それぞれ、継手中心Oに対して開口側および奥側にオフセットしていることに加え、傾斜軸(継手の軸線N−Nに対して周方向に傾斜した軸)N’−N’に対して半径方向にオフセットしている点、およびこれに対応して第2トラック溝部のボール軌道中心線の構成を調整した点において、上述した第1の実施形態に係る固定式等速自在継手と構成を異にしている。
【0058】
詳述すると、外側継手部材2の第1トラック溝部7aのボール軌道中心線Xaの曲率中心Oo1は、継手中心Oに対して開口側にオフセットすると共に、傾斜軸N’−N’に対して半径方向にfrだけオフセットしている。すなわち、垂線Kを含む作動角0°の状態の継手中心平面P上で半径方向にfrだけオフセットしている。これに伴い、第2トラック溝部7bのボール軌道中心線Xbの曲率中心Oo2は、第1トラック溝部7aのボール軌道中心線Xaの開口側端部Aに滑らかに接続するよう位置が調整されている。この構成により、継手の奥側のトラック溝深さを調整することができる。図示は省略するが、内側継手部材3のトラック溝9のボール軌道中心線Yは、作動角0°の状態の継手中心平面Pを基準として、外側継手部材2の対となるトラック溝7のボール軌道中心線Xと鏡像対称に形成されている。
【0059】
図11に、本発明の第4の実施形態に係る固定式等速自在継手で使用される保持器の断面図を示す。すなわち、この実施形態の固定式等速自在継手は、球状外周面および球状内周面の曲率中心を継手中心Oに対して軸方向にオフセットさせた保持器を用いる点において、第1の実施形態に係る固定式等速自在継手と構成を異にしている。
【0060】
詳述すると、図11に示すように、この保持器5の球状外周面12の曲率中心Oc1は継手中心Oに対して開口側に寸法f3だけオフセットしており、また、球状内周面13の曲率中心Oc2は継手中心Oに対して奥側に寸法f3だけオフセットしている。かかる構成により、開口側に向かって保持器5の肉厚が徐々に厚くなり、特に高作動角時の保持器5の強度を向上することができる。前述したように、高作動角の範囲では、周方向に配置されたボール4が、第1トラック溝部7Aa,9Aa(7Ba,9Ba)と、第2トラック溝部7Ab,9Ab(7Bb,9Bb)とに一時的に分かれて位置する。この場合、第2トラック溝部7Ab,9Ab(7Bb,9Bb)に位置するボール4から保持器5のポケット部5aに開口側に押圧する力が作用するが、開口側に向かって保持器5の肉厚が徐々に厚くなっているので、保持器5の強度を向上することができる。また、奥側のトラック溝7,9(第1トラック溝部7a,9b)のトラック溝深さを増加させることができる。
【0061】
以上で説明した本発明に係る固定式等速自在継手では、ボール4の個数を8個としたが、これに限られるものではない。図示は省略するが、例えば、ボールの個数を10個又は12個とした固定式等速自在継手にも本発明は好ましく適用することができる。
【0062】
また、以上の実施形態の固定式等速自在継手は、第2トラック溝部(のボール軌道中心線Xb)を円弧状部分のみで構成したもの、あるいは円弧状部分と直線状部分の組合せで構成したものとしたが、これに限られるものではない。要は、第1トラック溝部のボール軌道中心線Xaとは形状が異なり、有効トラック長さを増加させて高作動角化を図り得る形状であれば適宜の形状にすることができ、例えば、楕円や直線状であってもよい。また、第1トラック溝部および第2トラック溝部の何れか一方又は双方は、それぞれ単一の円弧状部分ではなく、トラック溝深さなどを考慮して複数の円弧状部分で形成してもよい。
【0063】
また、以上では、トラック溝を周方向に等ピッチで配置した固定式等速自在継手に本発明を適用した場合を示したが、トラック溝を不等ピッチで配置した固定式等速自在継手にも本発明は好ましく適用し得る。また、以上で説明した固定式等速自継手においては、継手の軸線N−Nに対するトラック溝(第1トラック溝部)の傾斜角γをすべてのトラック溝において等しいものとしたが、これに限られず、対をなす(半径方向で対向する)外側継手部材と内側継手部材のトラック溝(第1トラック溝部)の傾斜角γが等しく形成されていれば、トラック溝(第1トラック溝部)の相互間で傾斜角γを異ならせても構わない。要は、保持器の周方向すべてのポケット部に作用するボールの軸方向の力が、全体として釣り合うように各傾斜角度が設定されていればよい。また、以上では、トラック溝とボールとが接触角をもって接触する(アンギュラコンタクトする)ように構成された固定式等速自在継手に本発明を適用したが、これに限られず、本発明は、トラック溝の横断面形状が円弧状に形成され、トラック溝とボールとがサーキュラコンタクトするように構成された固定式等速自在継手にも好ましく適用することができる。
【0064】
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、さらに種々の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、特許請求の範囲によって示され、さらに特許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。
【符号の説明】
【0065】
1 固定式等速自在継手(等速自在継手)
2 外側継手部材
3 内側継手部材
4 ボール
5 保持器
6 (外側継手部材の)球状内周面
7 トラック溝
7a 第1トラック溝部
7b 第2トラック溝部
8 (内側継手部材の)球状外周面
9 トラック溝
9a 第1トラック溝部
9b 第2トラック溝部
12 (保持器の)球状外周面
13 (保持器の)球状内周面
20 ドライブシャフト
A 開口側端部
B 奥側端部
K 垂線
L1,L2 直線
M ボール軌道中心線を含む平面
N 継手の軸線
N’ (継手の軸線に対して周方向に傾斜した)傾斜軸
O 継手中心
P 継手中心平面
Q ボール軌道中心線を含む平面
R1,R2 直線
X ボール軌道中心線
Y ボール軌道中心線
γ 傾斜角
β 角度
θ 作動角
【特許請求の範囲】
【請求項1】
球状内周面に軸方向に延びる複数のトラック溝が形成され、軸方向に離間する開口側と奥側を有する外側継手部材と、球状外周面に前記外側継手部材のトラック溝と対をなす複数のトラック溝が形成された内側継手部材と、前記外側継手部材のトラック溝と前記内側継手部材のトラック溝との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、ボールを保持し、前記外側継手部材の球状内周面および前記内側継手部材の球状外周面にそれぞれ嵌合する球状外周面および球状内周面を有する保持器とを備えた固定式等速自在継手において、
前記外側継手部材のトラック溝は、奥側に位置する第1トラック溝部と開口側に位置する第2トラック溝部とからなり、前記第1トラック溝部は、継手中心に対して開口側にオフセットした位置に曲率中心を有する円弧状をなし、かつ継手の軸線に対して周方向に傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合う前記第1トラック溝部で互いに反対方向に形成されており、前記第2トラック溝部は、最大作動角に対する有効トラック長さを増加させるために前記第1トラック溝部とは異なる形状を有し、かつ継手中心よりも開口側で前記第1トラック溝部と接続されており、
前記内側継手部材のトラック溝は、作動角0°の状態の継手中心平面を基準として、前記外側継手部材の対となるトラック溝と鏡像対称に形成されていることを特徴とする固定式等速自在継手。
【請求項2】
前記第1トラック溝部と前記第2トラック溝部とが接続される点と継手中心とを結ぶ直線が、作動角0°の状態の継手中心平面に対してなす角度βを3°〜10°に設定したことを特徴とする請求項1に記載の固定式等速自在継手。
【請求項3】
前記第1トラック溝部の曲率中心を、継手の軸線に対して周方向に傾斜した傾斜軸上に配置したことを特徴とする請求項1又は2に記載の固定式等速自在継手。
【請求項4】
前記第1トラック溝部の曲率中心を、継手の軸線に対して周方向に傾斜した傾斜軸に対し、半径方向にオフセットした位置に配置したことを特徴とする請求項1又は2に記載の固定式等速自在継手。
【請求項5】
前記保持器の球状外周面の曲率中心を、継手中心に対して開口側にオフセットした位置に配置し、前記保持器の球状内周面の曲率中心を、継手中心に対して奥側にオフセットした位置に配置した請求項1〜4の何れか一項に記載の固定式等速自在継手。
【請求項6】
前記第2トラック溝部は、前記第1トラック溝部の半径方向外側で、かつ継手中心よりも開口側にオフセットされた位置を曲率中心とした円弧状部分を有することを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の固定式等速自在継手。
【請求項7】
前記第2トラック溝部は、前記円弧状部分のみからなり、この円弧状部分が前記第1トラック溝部に滑らかに接続されていることを特徴とする請求項6に記載の固定式等速自在継手。
【請求項8】
前記第2トラック溝部は、前記円弧状部分と直線状部分とからなり、この直線状部分が前記第1トラック溝部に滑らかに接続されていることを特徴とする請求項6に記載の固定式等速自在継手。
【請求項9】
前記ボールの個数を8個、10個又は12個の何れかとしたことを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の固定式等速自在継手。
【請求項1】
球状内周面に軸方向に延びる複数のトラック溝が形成され、軸方向に離間する開口側と奥側を有する外側継手部材と、球状外周面に前記外側継手部材のトラック溝と対をなす複数のトラック溝が形成された内側継手部材と、前記外側継手部材のトラック溝と前記内側継手部材のトラック溝との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、ボールを保持し、前記外側継手部材の球状内周面および前記内側継手部材の球状外周面にそれぞれ嵌合する球状外周面および球状内周面を有する保持器とを備えた固定式等速自在継手において、
前記外側継手部材のトラック溝は、奥側に位置する第1トラック溝部と開口側に位置する第2トラック溝部とからなり、前記第1トラック溝部は、継手中心に対して開口側にオフセットした位置に曲率中心を有する円弧状をなし、かつ継手の軸線に対して周方向に傾斜すると共にその傾斜方向が周方向に隣り合う前記第1トラック溝部で互いに反対方向に形成されており、前記第2トラック溝部は、最大作動角に対する有効トラック長さを増加させるために前記第1トラック溝部とは異なる形状を有し、かつ継手中心よりも開口側で前記第1トラック溝部と接続されており、
前記内側継手部材のトラック溝は、作動角0°の状態の継手中心平面を基準として、前記外側継手部材の対となるトラック溝と鏡像対称に形成されていることを特徴とする固定式等速自在継手。
【請求項2】
前記第1トラック溝部と前記第2トラック溝部とが接続される点と継手中心とを結ぶ直線が、作動角0°の状態の継手中心平面に対してなす角度βを3°〜10°に設定したことを特徴とする請求項1に記載の固定式等速自在継手。
【請求項3】
前記第1トラック溝部の曲率中心を、継手の軸線に対して周方向に傾斜した傾斜軸上に配置したことを特徴とする請求項1又は2に記載の固定式等速自在継手。
【請求項4】
前記第1トラック溝部の曲率中心を、継手の軸線に対して周方向に傾斜した傾斜軸に対し、半径方向にオフセットした位置に配置したことを特徴とする請求項1又は2に記載の固定式等速自在継手。
【請求項5】
前記保持器の球状外周面の曲率中心を、継手中心に対して開口側にオフセットした位置に配置し、前記保持器の球状内周面の曲率中心を、継手中心に対して奥側にオフセットした位置に配置した請求項1〜4の何れか一項に記載の固定式等速自在継手。
【請求項6】
前記第2トラック溝部は、前記第1トラック溝部の半径方向外側で、かつ継手中心よりも開口側にオフセットされた位置を曲率中心とした円弧状部分を有することを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の固定式等速自在継手。
【請求項7】
前記第2トラック溝部は、前記円弧状部分のみからなり、この円弧状部分が前記第1トラック溝部に滑らかに接続されていることを特徴とする請求項6に記載の固定式等速自在継手。
【請求項8】
前記第2トラック溝部は、前記円弧状部分と直線状部分とからなり、この直線状部分が前記第1トラック溝部に滑らかに接続されていることを特徴とする請求項6に記載の固定式等速自在継手。
【請求項9】
前記ボールの個数を8個、10個又は12個の何れかとしたことを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の固定式等速自在継手。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【公開番号】特開2013−104462(P2013−104462A)
【公開日】平成25年5月30日(2013.5.30)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−247445(P2011−247445)
【出願日】平成23年11月11日(2011.11.11)
【出願人】(000102692)NTN株式会社 (9,006)
【公開日】平成25年5月30日(2013.5.30)
【国際特許分類】
【出願日】平成23年11月11日(2011.11.11)
【出願人】(000102692)NTN株式会社 (9,006)
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