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JP5073190B2 - 摺動式等速自在継手 - Google Patents

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Description

本発明は、自動車や各種産業機械に用いられる摺動式等速自在継手に係り、特に内外輪のボール溝に対するボール接触角、ボール接触率およびケージオフセット量を適正化することにより作動角の高角化と軽量コンパクト化の両立を図った摺動式等速自在継手に関する。
等速自在継手には、２軸間の角度変位のみを許容する固定式と、角度変位および軸方向変位（プランジング）を許容する摺動式がある。両型式ともトルク伝達部材としてローラまたはボールを有する。摺動式等速自在継手は、自動車用ではプロペラシャフトおよびドライブシャフトに使用される。ドライブシャフトは、通常、インボード側に摺動式等速自在継手、アウトボード側に固定式等速自在継手を備える。トルク伝達部材としてボールを有する摺動式等速自在継手の一種である「ＤＯＪ型」は、製造コストが安価なことから、ドライブシャフトのインボード側継手として広く採用されている。このＤＯＪ型は、２５°を越える高作動角が可能な四輪駆動車にも多く使用されている。
ＤＯＪ型等速自在継手は、トルク伝達ボールを６個有するものと、８個有するものがある。このうち、６個のトルク伝達ボールを有するものは、最大作動角が２５°以下と、２５°を越えるものの２種類に大別される。最大作動角が大きくなると、高角時の継手負荷容量もその分だけ大きくする必要がある。継手負荷容量は、ボール溝の深さとケージ肉厚に関係する。このため、最大作動角が２５°以上のものは２５゜以下のものに比べて外輪外径が通常１サイズ程度大きい。
従来、摺動式等速自在継手の負荷容量を増大させるため、ボール溝とボールとの接触楕円の形状を改善したもの（特許文献１参照）、サーキュラコンタクトとアンギュラコンタクトを組合わせることによりトラック形状を改善したもの（特許文献２、３参照）、ケージの外球面中心と内球面中心のオフセット量を改善したもの（特許文献４）が提案されている。
実開昭６１−５７２３３号公報 実開平３−１０５７２５号公報 実開平４−１１６０１８号公報 特開平１０−７３１２９号公報
近年、自動車の低燃費化に伴い、等速自在継手に対しても軽量、コンパクトなものが要求されている。ＤＯＪ型の小型、軽量化に関する発明としては前記特許文献４がある。この文献は８個のトルク伝達ボールを有するＤＯＪ型において、ボール案内力を確保するとともにケージ肉厚を必要最小限にするケージの内外球面中心のオフセット量の最適値を提案するものであるが、８個ボールでは最大２５°までしか作動角をとることができない。
一方、従来の６個ボールでは最大作動角が２５°を超える場合、それ以下のものに比べると、外輪外径が１サイズ程度大きくなることからかなりの重量増となっていた。
このため、前述したボール溝とボールとの接触楕円の形状を改善したものや（特許文献１）、サーキュラコンタクトとアンギュラコンタクトを組合わせたトラック形状の改善（特許文献２、３）では、６個ボールを有したＤＯＪにおいて作動角の高角化を図りつつ十分な軽量コンパクト化を達成することが困難であることが分かった。
本発明の目的は、６個ボールを有するＤＯＪにおいて、従来と同等の強度と耐久性を確保しつつ、３０゜以上の最大作動角を可能にするとともに、外輪外径サイズを抑制してその軽量コンパクト化を図ることにある。
前記課題を解決するため、本発明は、円筒状の内周面に６本の直線状ボール溝を軸方向に形成した外輪と、球面状の外周面に６本の直線状ボール溝を軸方向に形成するとともに中心部にシャフトを連結する連結穴を形成した内輪と、外輪のボール溝と内輪のボール溝との対で形成されるボールトラックに配されたトルク伝達ボールと、トルク伝達ボールを収容するポケット、外輪の内周面に接触案内される凸球面状の外周面、および、内輪の外周面に接触案内される凹球面状の内周面を有し、かつ、外周面の球面中心と内周面の球面中心とが、ポケット中心に対して軸方向の反対側にオフセットしたケージとを備え、自動車のドライブシャフトのインボード側継手として使用される摺動式等速自在継手において、ボール径と外輪外径の比を０．２１〜０．２５、ボールのピッチ円径と外輪外径の比を０．６４〜０．６８、ボール溝の接触角を３０°〜３５°、ボール溝の接触率を１．０２〜１．０８、ケージオフセット量とボールのピッチ円径の比を０．０７〜０．０９にし、かつ、最大作動角を３０°以上としたことを特徴とする。
ボールの接触角を３０°〜３５°にすることにより、従来の接触角３５°〜４０°のものと比較して、作動角０°におけるボールの接触楕円の深さ、すなわちボール溝の肩部から接触楕円の長軸側縁部までの深さが深くなり、その分だけ作動角を稼ぐことができるとともに、ボール溝の深さを変えることなくボール溝を深くした場合と同じように継手負荷容量を稼ぐことができる。
アウトボード側に８個のトルク伝達ボールを有する固定式等速自在継手を備えるとともに、インボード側に上記構成の摺動式等速自在継手を備えてなるドライブシャフトとすることができる。
このように構成することにより、固定式と摺動式の等速自在継手を組付けたドライブシャフトアッシーとして、軽量コンパクト化と３０°以上の高作動角化を両立させることができる。
本発明は、６個ボールを有するＤＯＪにおいて、特許請求の範囲に記載の内部仕様とすることで、従来と同等の強度と耐久性を備えながら、３０゜以上の最大作動角が可能で、しかも軽量コンパクトなＤＯＪ型等速自在継手を実現することができる。
以下、図面に従って本発明の実施の形態を説明する。図１はドライブシャフトアッシーを示す。このドライブシャフトアッシーは、インボード側の等速自在継手Ｊ１と、アウトボード側の等速自在継手Ｊ２と、両継手Ｊ１、Ｊ２を結合する中間軸１とで構成される。インボード側の等速自在継手Ｊ１はディファレンシャルと結合され、アウトボード側の等速自在継手Ｊ２は車輪と結合される。本発明は、インボード側の等速自在継手Ｊ１に適用される。
インボード側の等速自在継手Ｊ１は、ダブルオフセット型等速自在継手（ＤＯＪ）で構成される。ＤＯＪは、図２に示すように、円筒状の内周面１２ａに６本の直線状のボール溝１２ｂを軸方向に形成した外輪１２と、球面状の外周面１３ａに６本の直線状のボール溝１３ｂを軸方向に形成した内輪１３と、外輪１２のボール溝１２ｂと内輪１３のボール溝１３ｂとの対で形成されるボールトラックに配された６個のトルク伝達ボール１４と、トルク伝達ボール１４を保持するケージ１５とで構成される。外輪１２のステム部１２ｃがディファレンシャルに結合され、内輪１３の中心部の連結穴に中間軸１がセレーション等を介して結合される。
ケージ１５は、外輪１２の内周面１２ａに接触案内される外球面１５ａと、内輪１３の外周面１３ａに接触案内される内球面１５ｂと、トルク伝達ボール１４を収容する６個のポケット１５ｃを備えた環体である。外球面１５ａの球面中心ＯCOと内球面１５ｂの球面中心ＯCIとは、それぞれ継手中心Ｏに対して軸方向に等距離だけ反対側にオフセットさせてある。
この継手が作動角をとりつつトルクを伝達する際、ケージ１５は、内輪１３の傾きに応じてボールトラック上を移動するトルク伝達ボール１４と共に回転し、トルク伝達ボール１４を作動角の角度二等分面に保持する。これにより、継手の等速性が維持される。また、外輪１２と内輪１３とが軸方向に相対移動すると、ケージ１５の外球面１５ａと外輪１２の内周面１２ａとの間で滑りが生じ、円滑な軸方向移動（プランジング）を可能にする。
アウトボード側の等速自在継手Ｊ２はアンダーカットフリー型等速自在継手（ＵＪ）で構成される。図３は、アンダーカットフリー型等速自在継手の作動角θが０°の時の状態を例示している。この等速自在継手Ｊ２は、球面状の内周面２ａに８本の底部湾曲状のボール溝３が軸方向に形成された外輪２と、球面状の外周面４ａに８本の底部湾曲状のボール溝５が軸方向に形成された内輪４と、内外輪のボール溝３、５により形成される各ボールトラックにそれぞれ配された８個のトルク伝達ボール６と、内外輪間に介在し且つ各トルク伝達ボール６をそれぞれ８つのポケット７に収納保持するケージ８とを備える。そして、内輪４の内周にスプライン４ｃを介してドライブシャフトの中間軸１（図１参照）が結合されると共に、外輪２のステム部２ｘにホイール側部材が結合される。
前記インボード側のＤＯＪ型等速自在継手Ｊ1のボール溝１２ｂ、１３ｂは、ボール溝１２ｂ、１３ｂの両側の肩部まで延びる２つの円弧の組合わせからなるゴシックアーチ形状を有するものである。このため、ボール１４は内外輪のボール溝１２ｂ、１３ｂに対して各２つの点Ｃでアンギュラコンタクトをなす。本発明は高角時の負荷容量確保のため、図４に示すように、外輪１２と内輪１３の双方のボール溝１２ｂ、１３ｂに対するボール１４の接触角αを３０°〜３５°とする。
従来のボール溝は、接触角が３５〜４０°の範囲に設定されていた。このため、接触角を３０°〜３５°にしたものと比較すると、ボール１４の接触楕円の長軸側縁部が内外輪のボール溝１２ｂ、１３ｂの肩部に至るまでの作動角が小さい。最大作動角２５°以上を実現するためには、従来、ボール溝１２ｂ、１３ｂの深さやケージ１５肉厚を相当厚くしなければならなかった。本発明によれば、ボール接触角を３０°〜３５°の範囲とすることにより、ボール溝１２ｂ、１３ｂの深さやケージ１５肉厚を厚くすることなく、高作動角化を実現することができる。
ここで「ボール接触角」とは、図４の直線Ｌａと直線Ｌｂとの間の角度αのことをいう。直線Ｌａはボール溝１２ｂ、１３ｂの曲率中心線に垂直な断面でのボール溝１２ｂ、１３ｂの円周方向の中心線、直線Ｌｂはボール溝側壁におけるボール１４の接触点Ｃとボール１４の中心とを結ぶ直線である。
本発明のＤＯＪは、接触角を３０°〜３５°にしただけではない。単純に接触角を３０°〜３５°にすると、ボール溝面圧の上昇を招き耐久性が低下する。そこで、接触角以外についても内部仕様を変更することとした。表１に、本発明品と従来品の実施例を５つの項目で対比する。本発明品では、６個ボールのＤＯＪで従来品に比べて３％以上の小型化を図れることが確認された。
Figure 0005073190
（表１の項目１と２）
表１の項目１と２については、本発明品と従来品で差がない。これは、外輪外径の小径化に伴い、ボール径およびボールのピッチ円径も同じ比率で小さくしなければ、外輪肉厚が薄くなりすぎ、従来品と同等の強度が得られないためである。
（表１の項目３と４）
項目１、２で分かるように、本発明はボール径とボールのピッチ円径を小さくして、外輪外径の小型化を図ったが、その場合、従来品と同等のボール接触角、接触率では面圧の上昇、あるいは接触楕円のボール溝内からのはみ出し（ボール溝肩部への乗り上げ）が生じ、耐久性の低下を招く。面圧の上昇は、剥離寿命の低下を招き、接触楕円の肩部への乗り上げは、ボール溝チャンファエッジ部の欠けを招く。
すなわち、ボール溝面圧および接触楕円のボール溝肩部への乗り上げ性は、４つの項目に関して、表２に示す傾向を有する。この表２に基づき、本発明品では、従来品と同等の耐久性が得られるように、ボール溝接触角、接触率を表１の項目３、４の範囲にシフトさせているのである。表１の項目３、４の範囲を上限側または下限側に外れると、いずれも、従来品と同等の耐久性が得られないことが判明した。
Figure 0005073190
（表１の項目５）
ＤＯＪタイプの等速自在継手では、外輪ボール溝と内輪ボール溝は、互いに軸方向に平行に形成されている。ＤＯＪが作動角をとる場合、ボールはケージオフセットにより作動角の二等分面内に保持され、等速性が維持される。ところで、ケージのオフセット量には最適値が存在する。ケージオフセット量の過小は作動性の低下を招く。これは、作動角付与時、ボールを作動角の角度二等分面内に案内するケージの案内力が減少し、ＤＯＪの作動性が悪くなり、また等速性が不安定になる。
一方、ケージオフセット量の過大は、外輪外径の増大を招く。これは、ケージオフセット量が大きくなると、作動角付与時、継手一回転中におけるケージ窓に対するボールの径方向の相対移動量が大きくなることから、最大作動角時においてもボールをケージポケット内から外れないようにするには、ケージの肉厚が厚くなりすぎるため、外輪外径も大きくなってしまうからである。
以上のことから、外輪外径をできるだけ小さくするためには、ケージオフセット量を小さくするほうが好ましいが、小さ過ぎてしまうと作動性の低下を招くため、本発明品では表１の項目５の範囲に設定している。なお、ケージオフセット量の最適範囲は、継手サイズにより変わるため、このサイズ間の変化をなくすためボールのピッチ円径との比で表している。
以上、６個ボールＤＯＪにおいて、従来比３％以上の小型化を図るための継手内部仕様について記載したが、表１の項目１〜５は、すべてセットで適用することで、従来品と同等の強度と耐久性を有するＤＯＪが成立する。
本発明は、アウトボード側に８個のボールを有する固定式等速自在継手、インボード側に本発明の摺動式等速自在継手を配したドライブシャフトアッシーとすることにより、３０°以上の高作動角がとれて、しかも軽量コンパクト化を達成することができる。
ドライブシャフトアッシーの縦断面図。 図１のドライブアクスルにおけるＤＯＪの縦断面図。 図１のドライブアクスルにおけるＵＪの縦断面図。 トルク伝達ボールの周囲の拡大断面図。
符号の説明
１ 中間軸
２ 外輪
２ａ 内周面
２ｘ ステム部
３ ボール溝
４ 内輪
４ａ 外周面
４ｃ セレーション
５ ボール溝
６ トルク伝達ボール
７ ポケット
８ ケージ
１２ 外輪
１２ａ 内周面
１２ｂ ボール溝
１２ｃ ステム部
１３ 内輪
１３ａ 外周面
１３ｂ ボール溝
１４ トルク伝達ボール
１５ ケージ
１５ａ 外球面
１５ｂ 内球面
１５ｃ ポケット
Ｊ１、Ｊ２ 等速自在継手
Ｏ 継手中心
ＯCI 球面中心
ＯCO 球面中心
α ボール接触角

Claims (2)

  1. 円筒状の内周面に６本の直線状ボール溝を軸方向に形成した外輪と、球面状の外周面に６本の直線状ボール溝を軸方向に形成するとともに中心部にシャフトを連結する連結穴を形成した内輪と、外輪のボール溝と内輪のボール溝との対で形成されるボールトラックに配された６個のトルク伝達ボールと、トルク伝達ボールを収容するポケット、外輪の内周面に接触案内される凸球面状の外周面、および、内輪の外周面に接触案内される凹球面状の内周面を有し、かつ、外周面の球面中心と内周面の球面中心とが、ポケット中心に対して軸方向の反対側にオフセットしたケージとを備え、ボール溝が、該ボール溝の両側の肩部まで延びる２つの円弧の組合わせからなるゴシックアーチ形状を有し、自動車のドライブシャフトのインボード側継手として使用される摺動式等速自在継手において、
    ボール径と外輪外径の比を０．２１〜０．２５、
    ボールのピッチ円径と外輪外径の比を０．６４〜０．６８、
    ボール溝の接触角を３０°〜３５°、
    ボール溝の接触率を１．０２〜１．０８、
    ケージオフセット量とボールのピッチ円径の比を０．０７〜０．０９
    にし、かつ、最大作動角を３０°以上としたことを特徴とする摺動式等速自在継手。
  2. アウトボード側に８個のトルク伝達ボールを有する固定式等速自在継手を備えるとともに、インボード側に請求項１の摺動式等速自在継手を備えてなるドライブシャフト。
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