JP4086999B2 - 等速自在継手 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は摺動式トリポード型等速自在継手に関する。一般に、等速自在継手は駆動側と従動側の２軸を連結して２軸間に角度があっても等速で回転力を伝達することのできるユニバーサルジョイントの一種であって、摺動式のものは、継手の伸縮（プランジング）によって２軸間の相対的軸方向変位を可能にしたものであり、トリポード型は、半径方向に突出した３本の脚軸を備えたトリポード部材を一方の軸に結合し、軸方向に延びる３つのトラック溝を備えた中空円筒状の外側継手部材を他方の軸に結合し、外側継手部材のトラック溝内にトリポード部材の脚軸を係合させてトルクの伝達を行うようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
摺動式トリポード型等速自在継手の一例を図５を参照して説明すると、外側継手部材（１）の内周面の軸方向に３本の円筒形トラック溝（２）を形成し、外側継手部材（１）内に挿入したトリポード部材（４）の半径方向に突設した３本の脚軸（５）の円筒状の外周面に複数の針状ころ（６）を介して回転可能に外嵌した円環状のローラ（７）をトラック溝（２）に挿入して構成される。各トラック溝（２）の円周方向で対向する一対のローラ案内面（３）は軸方向に平行な凹曲面であり、３本の脚軸（５）の各ローラ（７）の外周面はローラ案内面（３）に適合する凸曲面である。各ローラ（７）は、対応するトラック溝（２）のローラ案内面（３）に係合して脚軸（５）を中心に回転しながらトラック溝（２）に沿って移動可能である。
【０００３】
図５（Ｂ）に示すように、継手が作動角（θ）をとった状態で回転力を伝達するとき、ローラ（７）とローラ案内面（３）とは図５（Ｃ）に示すように互いに斜交する関係となる。この場合、ローラ（７）は図５（Ｂ）に矢印（ｔ）で示す方向に転がり移動しようとするのに対して、トラック溝（２）は外側継手部材の軸線と平行な円筒面の一部であるため、ローラ（７）はトラック溝（２）に拘束されながら移動することになる。その結果、ローラ案内面（３）とローラ（７）との相互間に滑りが発生してスライド抵抗が発生し、さらに、この滑りが軸方向に誘起スラストを発生させる。このようなスライド抵抗と誘起スラストは、車体の振動や騒音の発生原因となり、自動車のＮＶＨ性能に影響を与え、車両の足回りの設計自由度を低くするため、できるだけ低減させることが望まれる。
【０００４】
かかるスライド抵抗と誘起スラストの低減を企図した摺動式トリポード型等速自在継手として、たとえば図６に示す継手が知られている。すなわち、図示するように、トリポード部材（４）の脚軸（５）の外周面を真球面にして、この真球面に円筒状のリング（８）の円筒形内周面が摺動可能に外嵌している。リング（８）とローラ（７）とは転動体を介して相対回転自在のローラアセンブリを構成する。針状ころ（６）は、リング（８）の円筒形外周面とローラ（７）の円筒形内周面との間にいわゆる総ころ状態で配置され、円環状のワッシャ（９）で抜け止めがなされる。ローラ（７）は外側継手部材（１）のトラック溝（２）内に収容され、トラック溝（２）のローラ案内面（３）上を転動しながら外側継手部材（１）の軸方向に移動可能である。
【０００５】
脚軸（５）の外周面は脚軸（５）の軸線上に曲率中心を持つ真球面で、この曲率中心の回りをローラアセンブリ（７，８）が首振り揺動する。ローラアセンブリが首振り揺動自在であるため、外側継手部材（１）とトリポード部材（４）が作動角をとった状態で回転力伝達を行うとき、ローラ（７）は外側継手部材（１）の軸線と平行な姿勢を保つように外側継手部材（１）のローラ案内面（３）によって案内され、そのままの姿勢でローラ案内面（３）上を正しく転動する。したがって、作動角運転時における滑り抵抗が低減し、スライド抵抗と誘起スラストの発生が抑制されるというものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
自動車のエンジンから車輪に回転力を等速で伝達するために摺動式トリポード型等速自在継手を使用することが知られている。摺動式トリポード型等速自在継手は、トリポード部材の脚軸に球面ローラを取り付けてあり、脚軸外周面と球面ローラ内周面間に転動体として針状ころが保持器なしの総ころタイプで用いられる。そして、角度をとった状態でトルクを伝達するとき、内部部品間の相互摩擦によって、回転中には誘起スラストが、また、停止状態でも強制的に軸方向に伸縮させるとスライド抵抗がそれぞれ発生する。これら誘起スラストやスライド抵抗が関与する自動車の代表的なＮＶＨ現象として、前者との関連では走行中の車体の横振れ、後者との関連ではＡＴ車における停止時Ｄレンジのアイドリング振動現象がある。
【０００７】
自動車のＮＶＨ問題は、継手の誘起スラストやスライド抵抗の大きさを小さくすることが解決のポイントである。一般に、継手の誘起スラストやスライド抵抗は作動角の大きさに依存する傾向がある。このため、自動車のドライブシャフトに適用する場合、作動角を大きくできないという設計上の制約につながる。したがって、自動車の足回り設計の自由度を高めるには、誘起スラストやスライド抵抗の低位安定化が課題であった。
【０００８】
しかし、従来の摺動式トリポード型等速自在継手では転動体が総ころタイプの針状ころであるため、回転中のころのスキュー等により、転動体面にエッジロードなど偏荷重が作用しやすい。さらには内部のすきまや精度の関係によって接触状態が安定せず、球面ローラが傾いたりしてもエッジロードが作用する。また、構造上球面ローラの端部と脚軸やワッシャとの間で相対すべりも発生する。このようなスキュー、エッジロード、相対すべりといった現象が、継手内部の摩擦力の大きさを支配していると考えられる。
【０００９】
それゆえ、本発明の目的は、これら摩擦力をできるだけなくして誘起スラストやスライド抵抗の一層の低減および安定化を図ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、円周方向に向き合って配置されたローラ案内面を有する３つのトラック溝が形成された外側継手部材と、半径方向に突出した３つの脚軸を備えたトリポード部材と、前記トラック溝の挿入されたローラと、前記脚軸に外嵌して前記ローラを回転自在に支持するリングとを備え、前記ローラが前記ローラ案内面に沿って外側継手部材の軸方向に移動可能な等速自在継手において、前記リングと前記ローラの間に複数のボールを介在させて軸線のまわりで相対回転自在のローラアセンブリを構成し、前記リングの内周面を円弧状凸断面に形成すると共に、前記脚軸の外周面を、縦断面においてはストレート形状とし、かつ、横断面においては、継手の軸線と直交する方向で前記リングの内周面と接触するとともに継手の軸線方向で前記リングの内周面との間にすきまを形成するようにしたことを特徴とする等速自在継手である。
【００１１】
脚軸の横断面形状について、継手の軸線と直交する方向で前記リングの内周面と接触するとともに継手の軸線方向で前記リングの内周面との間にすきまを形成するような形状とは、言い換えれば、トリポード部材の軸方向で互いに向き合った面部分が相互方向に、つまり、仮想円筒面よりも小径側に退避している形状を意味する。その一つの具体例として楕円形が挙げられる（請求項２）。
【００１２】
従来円形であった脚軸の断面形状を上記の形状としたことにより、継手が作動角をとったとき、ローラアセンブリの姿勢を変えることなく、脚軸が外側継手部材に対して傾くことができる。しかも、脚軸の外周面とリングとの接触楕円が横長から点に近づくため（図１（Ｃ）および図６（Ｃ）参照）、ローラアセンブリを傾けようとする摩擦モーメントが低減する。したがって、ローラアセンブリの姿勢が常に安定し、ローラがローラ案内面と平行に保持されるため円滑に転動することができる。これにより、スライド抵抗の低減ひいては誘起スラストの低減に寄与する。さらに、脚軸の根元部の断面係数が増加することによる脚軸の曲げ強度が向上するという利点もある。
【００１３】
なお、ローラアセンブリは脚軸と外側継手部材との間に介在してトルクを伝達する役割を果たすものであるが、この種の等速自在継手におけるトルクの伝達方向は常に継手の軸線に直交する方向であるため、当該トルクの伝達方向において脚軸とリングとが接していることでトルクの伝達は可能であり、継手の軸線方向において両者間にすきまがあってもトルク伝達に支障を来すことはない。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１に記載の等速自在継手において、脚軸の横断面を長軸が継手の軸線に直交する略楕円形としたことを特徴とする。略楕円形とは、字義どおりの楕円に限らず、一般に卵形、小判形等と称される形状を含むものとする。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は２の等速自在継手において、リングの内周面の母線を、中央部の円弧部と、脚軸との干渉を避けるための両端部の逃げ部とで構成したことを特徴とする。円弧部の曲率半径は、２〜３°程度の脚軸の傾きを許容できる大きさとするのが好ましい。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の等速自在継手において、リングとローラの間にボールが複列で配置されていることを特徴とする。複列のボール列でローラを支持することにより、単列の場合に比べてモーメント荷重に対する負荷容量が増し、耐久性も向上する。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の等速自在継手において、上記ローラの外周面が球状に形成され、該ローラの球状外周面が外側継手部材のローラ案内面とアンギュラコンタクトすることを特徴とする。
ローラとローラ案内面とがアンギュラコンタクトをなすことにより、ローラの姿勢が一層安定するため、ローラが外側継手部材の軸方向に移動する際にローラ案内面上をより少ない抵抗で円滑に転動する。かかるアンギュラコンタクトを実現するための具体的な構成を例示するならば、ローラ案内面の断面形状をテーパ形状またはゴシックアーチ形状とすることが挙げられる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
まず、図１および図２に示す本発明の第一の実施の形態を説明する。ここで、図１（Ａ）は継手の横断面を示し、図１（Ｂ）は脚軸に垂直な断面を示し、図２は作動角（θ）をとった状態の継手の縦断面を示す。
【００１９】
図１に示すように、等速自在継手は外側継手部材（１０）とトリポード部材（２０）とからなり、連結すべき２軸の一方が外側継手部材（１０）と接続され、他方がトリポード部材（２０）と接続される。
【００２０】
外側継手部材（１０）は内周面に軸方向に延びる３本のトラック溝（１２）を有する。各トラック溝（１２）の円周方向で対向する側壁にローラ案内面（１４）が形成されている。トリポード部材（２０）は半径方向に突設した３本の脚軸（２２）を有し、各脚軸（２２）にはローラ（３４）が取り付けてあり、このローラ（３４）が外側継手部材（１０）のトラック溝（１２）内に収容される。ローラ（３４）の外周面はローラ案内面（１４）に適合する凸曲面である。ここでは、ローラ（３４）の外周面は脚軸（２２）の軸線から半径方向に離れた位置に曲率中心を有する円弧を母線とする凸曲面である。ローラ案内面（１４）は、軸線が外側継手部材（１０）の軸線と平行な円筒面の一部で構成され、その断面形状はローラ（３４）の外周面の母線に対応する円弧である。
【００２１】
なお、ローラ（３４）の球状外周面とローラ案内面（１４）とがアンギュラコンタクトをなすようにしてもよい。たとえば、ローラ案内面（１４）の断面形状を、テーパ形状またはゴシックアーチ形状とすることによってそのようなアンギュラコンタクトが実現する。
【００２２】
脚軸（２２）の外周面にリング（３２）が外嵌している。このリング（３２）とローラ（３４）とは複数のボール（３６）を介してユニット化され、相対回転可能なローラアセンブリを構成している。すなわち、リング（３２）の外周面には内側軌道面を形成してあり、ローラ（３４）の内周面には外側軌道面を形成してある。そして、リング（３２）の内側軌道面とローラ（３４）の外側軌道面との間にボール（３６）が転動自在に介在する。図１（Ｂ）に示されるように、ボール（３６）はいわゆる総玉状態で組み込まれている。符号３３、３５で指してあるのはボール（３６）の組込みのための入れ穴である。
【００２３】
図面にはリング（３２）とローラ（３４）の間に複数のボール（３６）を単列で配置した場合を例示したが、複列で配置することも可能である。
【００２４】
脚軸（２２）の外周面は、縦断面（図１（Ａ）））で見ると脚軸（２２）の軸線と平行なストレート形状であり、横断面（図１（Ｂ））で見ると、長軸が継手の軸線に直交する楕円形状である。脚軸の断面形状は、トリポード部材（２０）の軸方向で見た肉厚を減少させて略円弧状としてある。言い換えれば、脚軸の断面形状は、トリポード部材の軸方向で互いに向き合った面が相互方向に、つまり、仮想円筒面よりも小径側に退避している。
【００２５】
リング（３２）の内周面は円弧状凸断面を有する。すなわち、内周面の母線が半径ｒの凸円弧である（図１（Ｃ））。このことと、脚軸（２２）の断面形状が上述のように略楕円形状であり、脚軸（２２）とリング（３２）との間には所定のすきまが設けてあることから、リング（３２）は脚軸（２２）の軸方向での移動が可能であるばかりでなく、脚軸（２２）に対して首振り揺動自在である。また、上述のとおりリング（３２）とローラ（３４）はボール（３６）を介して相対回転自在にユニット化されているため、脚軸（２２）に対し、リング（３２）とローラ（３４）がユニットとして首振り揺動可能な関係にある。ここで、首振りとは、脚軸（２２）の軸線を含む平面内で、脚軸（２２）の軸線に対してリング（３２）およびローラ（３４）の軸線が傾くことをいう（図２参照）。
【００２６】
図６に示した従来の継手の場合、脚軸（５）の外周面が全周にわたってリング（８）の内周面と接するため、接触楕円が図６（Ｃ）に破線で示すように円周方向に延びた横長形状を呈する。そのため、外側継手部材（１）に対して脚軸（５）が傾くとき、脚軸（５）の動きに伴ってリング（８）を、延いてはローラ（７）を傾かせるように作用する摩擦モーメントが発生する。これに対し、図１に示した実施の形態では、脚軸（２２）の横断面が略楕円状で、リング（３２）の内周面の横断面が円筒形であることから、図１（Ｃ）に破線で示すように、両者の接触楕円は点に近いものとなり、同時に面積も小さくなる。したがって、ローラアセンブリ（３２，３４）を傾かせようとする力が従来のものに比べると非常に低減し、ローラ（３４）の姿勢の安定性が一層向上する。そのため、図１（Ａ）で示してあるローラの傾き抑制のための外側継手部材のつばを廃止することができる場合もある。
【００２７】
次に、図３および図４に示す本発明の第二の実施の形態について説明する。この第二の実施の形態は、リング（３２）の内周面の母線が、上述の第一の実施の形態では単一の円弧で形成されているのに対して、中央の円弧部（３２ａ）とその両側の逃げ部（３２ｂ）との組合せで形成されている点でのみ相違する。逃げ部（３２ｂ）は、図３（Ｃ）のように作動角（θ）をとったときの脚軸（２２）との干渉を避けるための部分であり、円弧部（３２ａ）の端からリング（３２）の端部に向かって徐々に拡径した直線または曲線で構成する。ここでは、逃げ部（３２ｂ）を円錐角α＝５０°の円錐面の一部とした場合を例示してある。円弧部（３２ａ）は、リング（３２）に対する脚軸（２２）の２〜３°程度の傾きを許容するため、たとえば３０ｍｍ程度の大きな曲率半径（Ｒ）とする。トリポード型等速自在継手では、機構上、外側継手部材（１０）が１回転するときトリポード部材（２０）は外側継手部材（１０）の中心に対して３回振れ回る。このとき符号ｅ（図２（Ａ））で表わされる偏心量は作動角（θ）に比例して増加する。そして、３本の脚軸（２２）は１２０°ずつ離間しているが、作動角（θ）をとると、図２（Ｂ）に示すように、図の上側に表われている垂直な脚軸（２２）を基本として考えると、他の２本の脚軸（２２）は、一点鎖線で示す作動角０のときのそれらの軸線からわずかに傾く。その傾きは作動角（θ）がたとえば約２３°のとき２〜３°程度となる。この傾きがリング（３２）の内周面の円弧部（３２ａ）の曲率によって無理なく許容されるため、脚軸（２２）とリング（３２）との接触部における面圧が過度に高くなるのを防止することができる。なお、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の左側面から見たトリポード部材（２０）の３本の脚軸（２２）を模式的に図示したもので、実線が脚軸を表わしている。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は、円周方向に向き合って配置されたローラ案内面を有する３つのトラック溝が形成された外側継手部材と、半径方向に突出した３つの脚軸を備えたトリポード部材と、前記トラック溝の挿入されたローラと、前記脚軸に外嵌して前記ローラを回転自在に支持するリングとを備え、前記ローラが前記ローラ案内面に沿って外側継手部材の軸方向に移動可能な等速自在継手において、前記リングと前記ローラの間に複数のボールを介在させて軸線のまわりで相対回転自在のローラアセンブリを構成し、前記リングの内周面を円弧状凸断面に形成すると共に、前記脚軸の外周面を、縦断面においてはストレート形状とし、かつ、横断面においては、継手の軸線と直交する方向で前記リングの内周面と接触するとともに継手の軸線方向で前記リングの内周面との間にすきまを形成するようにしたものであるため、継手が作動角をとったとき、外側継手部材に対するローラアセンブリの姿勢を変えることなく、脚軸が外側継手部材に対して傾くことができ、しかも、脚軸の外周面とリングとの接触楕円が横長から点に近づくため、ローラアセンブリを傾けようとする摩擦モーメントが低減する。したがって、ローラアセンブリの姿勢が常に安定してローラがローラ案内面と平行に保持され、ローラが円滑に転動することができる。これにより、スライド抵抗の低減ひいては誘起スラストの低減に寄与する。さらに、脚軸の根元部の断面係数が増加することによる脚軸の曲げ強度が向上するという利点もある。
【００２９】
また、本発明によれば、トリポード部材と外側継手部材との間に介在するローラを、スキュー等の問題がなく、常に円滑に低摩擦回転をするボールで支持するようにしたので、外側継手部材のトラック溝内をローラがローラ案内面に沿って転動するとき、低摩擦、低抵抗の転動が実現する。したがって、ローラがトラック溝内を外側継手部材の軸方向にスライドする際のスライド抵抗、延いては外側継手部材とトリポード部材が作動角をとった状態でトルクを伝達するときに発生していた誘起スラストが一層低減し、振動や騒音の少ない高性能な摺動式トリポード型等速自在継手が提供できる。
【００３０】
本発明の摺動式トリポード型等速自在継手は、特に自動車のドライブシャフト用に適用すれば、スライド抵抗や誘起スラストの大きさが関与する自動車のＮＶＨ性能の改善に寄与し得、車両足回り設計の自由度も高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第一の実施の形態を示す等速自在継手の横断面図、（Ｂ）は脚軸に垂直な断面図、（Ｃ）は接触楕円を説明するためのリングの断面図である。
【図２】（Ａ）は図１の等速自在継手の縦断面図であって作動角をとった状態を示し、（Ｂ）は（Ａ）におけるトリポード部材の模式的側面図である。
【図３】（Ａ）は一部を断面にした等速自在継手の端面図であって本発明の第二の実施の形態を示し、（Ｂ）は（Ａ）における脚軸に垂直な断面図、（Ｃ）は（Ａ）の等速自在継手の縦断面図であって作動角をとった状態を示す。
【図４】図３におけるリングの拡大断面図である。
【図５】（Ａ）は従来の等速自在継手の横断面図、（Ｂ）は（Ａ）の等速自在継手の縦断面図、（Ｃ）は（Ｂ）におけるローラとローラ案内面とローラとの相互関係を示す模式的斜視図である。
【図６】（Ａ）は他の従来のトリポード型等速自在継手の横断面図、（Ｂ）は脚軸に垂直な断面図、（Ｃ）は接触楕円を説明するためのリングの断面図である。
【符号の説明】
１０ 外側継手部材
１２ トラック溝
１４ ローラ案内面
２０ トリポード部材
２２ 脚軸
３２ リング
３２ａ 円弧部
３２ｂ 逃げ部
３６ ボール
３４ ローラ

Claims (5)

1. 円周方向に向き合って配置されたローラ案内面を有する３つのトラック溝が形成された外側継手部材と、半径方向に突出した３つの脚軸を備えたトリポード部材と、前記トラック溝の挿入されたローラと、前記脚軸に外嵌して前記ローラを回転自在に支持するリングとを備え、前記ローラが前記ローラ案内面に沿って外側継手部材の軸方向に移動可能な等速自在継手において、前記リングと前記ローラの間に複数のボールを介在させて軸線のまわりで相対回転自在のローラアセンブリを構成し、前記リングの内周面を円弧状凸断面に形成すると共に、前記脚軸の外周面を、縦断面においてはストレート形状とし、かつ、横断面においては、継手の軸線と直交する方向で前記リングの内周面と接触するとともに継手の軸線方向で前記リングの内周面との間にすきまを形成するようにしたことを特徴とする等速自在継手。
2. 脚軸の横断面を長軸が継手の軸線に直交する略楕円形としたことを特徴とする請求項１に記載の等速自在継手。
3. 前記リングの内周面の母線が、中央部の円弧部と、脚軸との干渉を避けるための両端部の逃げ部とで構成されていることを特徴とする請求項１又は２の等速自在継手。
4. リングとローラの間にボールが複列で配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の等速自在継手。
5. 上記ローラの外周面が球状に形成され、該ローラの球状外周面が外側継手部材のローラ案内面とアンギュラコンタクトすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の等速自在継手。

Images