(57)【要約】【課題】最大作動角を小さくすることなく摺動ストロークを稼ぐ。【解決手段】クロスグルーブ型等速自在継手であって、軸線に対して互いに逆方向にねじれたボール溝12,12bを円周方向に交互に形成した外周面を有する内輪10と、軸線に対して互いに逆方向にねじれたボール溝221,22bを円周方向に交互に形成した内周面を有する外輪20と、軸線に対して互いに逆方向にねじれた内輪のボール溝12a,12bと外輪のボール溝22a,22bとの交差部に組み込んだトルク伝達ボール30と、内輪10の外周面と外輪20の内周面との間に介在してトルク伝達ボール30を円周方向で所定間隔に保持するケージ40とを有し、軸線に対するボール溝12a,12b,22a,22bのねじれ角βが４．５°以上８．５°未満で、トルク伝達ボール30の数が８である。【選択図】  図１
2006132669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線に対して互いに逆方向にねじれたボール溝を円周方向に交互に形成した外周面を有する内輪と、軸線に対して互いに逆方向にねじれたボール溝を円周方向に交互に形成した内周面を有する外輪と、軸線に対して互いに逆方向にねじれた内輪のボール溝と外輪のボール溝との交差部に組み込んだトルク伝達ボールと、内輪の外周面と外輪の内周面との間に介在してトルク伝達ボールを円周方向で所定間隔に保持するケージとを有し、軸線に対するボール溝のねじれ角が４．５°以上８．５°未満で、トルク伝達ボールの数が８であることを特徴とするクロスグルーブ型等速自在継手。
【請求項２】
自動車の駆動系に用いられる請求項１のクロスグルーブ型等速自在継手。
【請求項３】
鉄道車両の駆動系に用いられる請求項１のクロスグルーブ型等速自在継手。
【請求項４】
産業機械の駆動系に用いられる請求項１のクロスグルーブ型等速自在継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はクロスグルーブ型等速自在継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
クロスグルーブ型等速自在継手は、対をなす内輪のボール溝と外輪のボール溝が軸線に対して互いに逆方向にねじれており、両ボール溝の交差部にトルク伝達ボールを保持するようになっている。このような構造であるため、トルク伝達ボールとボール溝との間のがたつきを少なくすることができ、特に、がたつきを嫌う自動車のプロペラシャフトやドライブシャフト等に多用されている。
【０００３】
非特許文献１には最も基本的なクロスグルーブ型等速自在継手が示されている。非特許文献１では、転動体の数は４個以上、一般的には６個で、軸線に対するボール溝のねじれ角は、等速自在継手が最大作動角をとった状態で、内輪と外輪の対向するボール溝が平行にならないような角度に設計するものとされ、一般的には１３−１９°であると記載されている。
【０００４】
特許文献１には、軸線に対するボール溝のねじれ角を小さくしたときに最大作動角が小さくなってしまうことを避けるために、ボール溝を軸線に対してねじるだけでなく軸線を含む平面内においても傾斜させることが提案されている。
【０００５】
クロスグルーブ型等速自在継手は基本的には作動角を大きくとることができないとされている。それは、内・外輪のボール溝で構成されるくさび角が、継手が作動角をとることによって、反転する角度（限界角度）があるからである。継手の作動角が限界角度を越えると、ケージは力の釣り合いが保てなくなって不安定となり、等速自在継手の機能を失ってしまうと考えられている。この現象は、一般的な６個のトルク伝達ボールを持つものでは確認されており、限界角度がボール溝の接触角とねじれ角で決定されることも知られている。
【０００６】
特許文献１においては、軸線を含む平面内でもボール溝を傾けることによって、限界角度を大きくすることができることを定式化している。ただし、製造および品質管理上、非常に難しい形状となる。
【特許文献１】特開平５−２３１４３５号公報
【非特許文献１】E.R. Wagner,“Universal Joint and Driveshaft Design Manual”, SAE, 1991, p.163-166
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
クロスグルーブ型等速自在継手では、対をなす内輪のボール溝と外輪のボール溝との交差部にくさび角（＝交差角）が形成され、このくさび角の作用でトルク伝達ボールがケージのポケット面に押しやられる。これにより、トルク伝達ボールは常にボール溝の交差部に保持され、内・外輪間に角度変位が生じたときでも常に作動角の二等分面内に維持される。このようにクロスグルーブ型等速自在継手は、等速性があり、しかも、ガタツキの少ない優れたものである。
【０００８】
しかしながら、クロスグルーブ型等速自在継手には、内・外輪に軸方向に形成した円弧状ボール溝の中心をオフセットさせることによってトルク伝達ボールを制御するタイプの等速自在継手に比べて、作動角をあまり大きくとることができない。これは、作動角を大きくとると上記くさび角が反転してしまい、トルク伝達ボールからケージに作用する力のバランスが崩れてしまうからである。その結果、ケージは力のつりあいが保てなくなって不安定になる。
【０００９】
なお、内・外輪のボール溝のねじれ角を大きくとることによってくさび角の反転を防止することが考えられる。しかし、内輪および外輪は、軸線に対して互いに逆方向にねじれたボール溝が周方向に交互に配列されるため、隣り合うボール溝どうしの干渉を避ける必要上ねじれ角を大きくすることには限界がある。
【００１０】
クロスグルーブ型等速自在継手のボール溝の交差角２βは、また、継手の摺動ストロークにも関係しており、ストローク量をかせぐためにはボール溝の交差角２βを小さくしていくことが有効となる。
【００１１】
ところが、継手の摺動ストロークをかせぐために軸線に対するボール溝のねじれ角を小さくすると、等速自在継手としての最大作動角が小さくなってしまう。この最大作動角とは、回転しない状態で、継手を折り曲げてさらに戻す操作を行なったときに、極大なトルクが作用してしまう状況が現れる角度である。最悪の場合、角度が付いたまま戻らなくなる、つまり、引っかかる現象が起きる。
【００１２】
以上のように、クロスグルーブ型等速自在継手は、最大作動角および摺動量に自由度が少ないことがわかる。
【００１３】
本発明の主要な目的は、クロスグルーブ型等速自在継手の最大作動角を小さくすることなく摺動ストロークをかせぐことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、クロスグルーブ型等速自在継手であって、軸線に対して互いに逆方向にねじれたボール溝を円周方向に交互に形成した外周面を有する内輪と、軸線に対して互いに逆方向にねじれたボール溝を円周方向に交互に形成した内周面を有する外輪と、軸線に対して互いに逆方向にねじれた内輪のボール溝と外輪のボール溝との交差部に組み込んだトルク伝達ボールと、内輪の外周面と外輪の内周面との間に介在してトルク伝達ボールを円周方向で所定間隔に保持するケージとを有し、軸線に対するボール溝のねじれ角が４．５°以上８．５°未満で、トルク伝達ボールの数が８であることを特徴とするものである。
【００１５】
クロスグルーブ型等速自在継手の軸線に対するボール溝のねじれ角を４．５°以上８．５°未満とし、トルク伝達ボールの数を８にすることにより、継手の最大作動角が小さくならず、また、摺動ストロークをかせぐことができる。既に述べたように、クロスグルーブ型等速ジョイントでは、ある位相にトルク伝達ボールが存在し、作動角を大きくすると、くさび角が反転してしまい、トルク伝達ボールから保持器に作用する力のバランスが崩れ、保持器の駆動が不安定になる。内輪のボール溝と外輪のボール溝との交差角が小さくなってくると、トルク伝達ボールの数が６個までの場合はこの現象が顕著に現れる。しかしながら、トルク伝達ボールを８個以上にすることによって、内輪のボール溝と外輪のボール溝との交差角が小さくなっても、ある値までは保持器の駆動が安定する。これは、くさび角が反転してしまったトルク伝達ボールの駆動力を、他のトルク伝達ボールが分担して、保持器の駆動を安定させることによる。後述の表１はこの現象を表わしている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、クロスグルーブ型等速自在継手の摺動ストロークをかせぐためにボール溝のねじれ角を小さくしても、折り曲げ時にひっかかりが起きることがないため、最大作動角が小さくならない。したがって、クロスグルーブ型等速自在継手の最大作動角を小さくすることなく摺動ストロークをかせぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面に従って本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
図２はクロスグルーブ型等速自在継手の縦断面図である。同図に示すように、クロスグルーブ型等速自在継手は、内輪２と外輪４とトルク伝達ボール６とケージ８を主要な構成要素として成り立っている。
【００１９】
内輪２はリング状で外周面にボール溝２ａ，２ｂが形成してある。同様に、外輪４もリング状で内周面にボール溝４ａ，４ｂが形成してある。図１はボール溝の展開図であって、同図に実線で示すように、内輪２の軸線に対して互いに逆方向にねじれたボール溝２ａ，２ｂが円周方向に交互に位置している。また、二点鎖線で示すように、外輪４の軸線に対して互いに逆方向にねじれたボール溝４ａ，４ｂが円周方向に交互に位置している。
【００２０】
軸線に対する各ボール溝２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂのねじれ角を符号βで表してある。互いに逆方向にねじれた内輪２のボール溝２ａ（またはボール溝２ｂ）と外輪４のボール溝４ａ（またはボール溝４ｂ）が対をなし、両者の交差角は２βで表される。
【００２１】
対をなすボール溝２ａとボール溝４ａまたはボール溝２ｂとボール溝４ｂの交差部にトルク伝達ボール６が組み込まれる。図３に示すように、ここでは内輪２のボール溝２ａ，２ｂと外輪４のボール溝４ａ，４ｂがそれぞれ８本あり、トルク伝達ボール６も８個ある。
【００２２】
図４に示すように、内輪２および外輪４のボール溝２ａ，２ｂ；４ａ，４ｂは一般的にゴシックアーチまたは楕円の断面形状をしており、トルク伝達ボール６とボール溝２ａ，２ｂ；４ａ，４ｂとの接触関係はアンギュラコンタクトとなっている。アンギュラコンタクトの接触角αを例示するならば３０〜５０°の範囲である。
【００２３】
トルク伝達ボールが６個の場合と同じように８個の場合につき最大作動角を確認するため、折曲げ角が±１０°の場合の折り曲げ戻し操作時の抵抗トルクを解析によって求めたところ、ボール溝２ａ，２ｂ；４ａ，４ｂのねじれ角βを小さくしていっても、ねじれ角βが４．５°までは引っかかる現象が現れないことがわかった。
【００２４】
図５は、引っかかりのない条件と引っかかりが起きる条件とで折り曲げ操作に必要なトルクを対比して示したもので、横軸は折曲げ角θ、縦軸は折曲げトルクを表している。実線のトルク線図が示すように、引っかかる条件の場合、破線で示す引っかからない条件の場合の折曲げトルクと比較して、ある折曲げ角においてトルクが過大なピークをもつ。このピークの有無によって、引っかかるかどうかを判断することができる。
【００２５】
表１に、トルク伝達ボールが６個のクロスグルーブ型等速自在継手と、トルク伝達ボールが８個のクロスグルーブ型等速自在継手のそれぞれについて、ボール溝のねじれ角βをどこまで小さくしていくと折り曲げ戻し操作時の引っかかりが起きるか実験した結果を示す。折曲げ角θは±１０°であった。引っかかり現象の有無によってクロスグルーブ型等速自在継手の成立の可否を判断し、可は○、否は×で表してある。表１より、トルク伝達ボールが８個の場合、ボール溝のねじれ角βを４．５°まで小さくしても引っかかりなし、つまり、クロスグルーブ型等速自在継手として成立することが確認された。トルク伝達ボールが６個の場合、ねじれ角βが８．０°で引っかかりが発生した。
【００２６】
【表１】
2006132669.tif 000003
【００２７】
ところで、特許文献１において、限界角度はボール溝のねじれ角によって定式化されていた。その式はトルク伝達ボールの個数に関係なく成立する式である。つまり、トルク伝達ボールの個数が増えても引っかかり現象は現れるはずである。しかしながら、表１に示したとおり、トルク伝達ボール８個以上では、対をなす内・外輪のボール溝によって構成されるくさび角効果による引っかかり現象は起きていないことを確認した。このことは、トルク伝達ボールの個数を増やすことによって、ある位相に存在するトルク伝達ボールからケージに作用する力が、くさび角が０になる効果によって失われることを他のトルク伝達ボールがカバーして、等速自在継手が不安定になることを回避しているものと推測される。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
この発明のクロスグルーブ型等速自在継手は、折曲げ角が１０°まで要求される、自動車、鉄道車両、各種産業機械の駆動系において利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】クロスグルーブ型等速自在継手のボール溝の展開図である。
【図２】クロスグルーブ型等速自在継手の縦断面図である。
【図３】クロスグルーブ型等速自在継手の内輪と外輪の端面図である。
【図４】クロスグルーブ型等速自在継手の要部横断面図である。
【図５】折曲げ角と折曲げトルクの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
２  内輪
２ａ，２ｂ  ボール溝
４  外輪
４ａ，４ｂ  ボール溝
６  トルク伝達ボール
８  ケージ
α  接触角
β  ねじれ角
２β  交差角（くさび角）
θ  折曲げ角
【図１】
2006132669.tif 000004
【図２】
2006132669.tif 000005
【図３】
2006132669.tif 000006
【図４】
2006132669.tif 000007
【図５】
2006132669.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成17年7月21日(2005.7.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
軸線に対して互いに逆方向にねじれたボール溝を円周方向に交互に形成した外周面を有する内輪と、軸線に対して互いに逆方向にねじれたボール溝を円周方向に交互に形成した内周面を有する外輪と、軸線に対して互いに逆方向にねじれた内輪のボール溝と外輪のボール溝との交差部に組み込んだトルク伝達ボールと、内輪の外周面と外輪の内周面との間に介在してトルク伝達ボールを円周方向で所定間隔に保持するケージとを有し、軸線に対するボール溝の傾き角が４．５°以上８．５°未満で、トルク伝達ボールの数が８であることを特徴とするクロスグルーブ型等速自在継手。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
特許文献１には、軸線に対するボール溝の傾き角を小さくしたときに最大作動角が小さくなってしまうことを避けるために、ボール溝を軸線に対してねじるだけでなく軸線を含む平面内においても傾斜させることが提案されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
クロスグルーブ型等速自在継手は基本的には作動角を大きくとることができないとされている。それは、内・外輪のボール溝で構成されるくさび角が、継手が作動角をとることによって、反転する角度（限界角度）があるからである。継手の作動角が限界角度を越えると、ケージは力の釣り合いが保てなくなって不安定となり、等速自在継手の機能を失ってしまうと考えられている。この現象は、一般的な６個のトルク伝達ボールを持つものでは確認されており、限界角度がボール溝の接触角と傾き角で決定されることも知られている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
なお、内・外輪のボール溝の傾き角を大きくとることによってくさび角の反転を防止することが考えられる。しかし、内輪および外輪は、軸線に対して互いに逆方向にねじれたボール溝が周方向に交互に配列されるため、隣り合うボール溝どうしの干渉を避ける必要上傾き角を大きくすることには限界がある。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
ところが、継手の摺動ストロークをかせぐために軸線に対するボール溝の傾き角を小さくすると、等速自在継手としての最大作動角が小さくなってしまう。この最大作動角とは、回転しない状態で、継手を折り曲げてさらに戻す操作を行ったときに、極大なトルクが作用してしまう状況が現れる角度である。最悪の場合、角度が付いたまま戻らなくなる、つまり、引っかかる現象が起きる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明は、クロスグルーブ型等速自在継手であって、軸線に対して互いに逆方向にねじれたボール溝を円周方向に交互に形成した外周面を有する内輪と、軸線に対して互いに逆方向にねじれたボール溝を円周方向に交互に形成した内周面を有する外輪と、軸線に対して互いに逆方向にねじれた内輪のボール溝と外輪のボール溝との交差部に組み込んだトルク伝達ボールと、内輪の外周面と外輪の内周面との間に介在してトルク伝達ボールを円周方向で所定間隔に保持するケージとを有し、軸線に対するボール溝の傾き角が４．５°以上８．５°未満で、トルク伝達ボールの数が８であることを特徴とするものである。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
クロスグルーブ型等速自在継手の軸線に対するボール溝の傾き角を４．５°以上８．５°未満とし、トルク伝達ボールの数を８にすることにより、継手の最大作動角が小さくならず、また、摺動ストロークをかせぐことができる。既に述べたように、クロスグルーブ型等速自在継手では、ある位相にトルク伝達ボールが存在し、作動角を大きくすると、くさび角が反転してしまい、トルク伝達ボールからケージに作用する力のバランスが崩れ、ケージの駆動が不安定になる。内輪のボール溝と外輪のボール溝との交差角が小さくなってくると、トルク伝達ボールの数が６個までの場合はこの現象が顕著に現れる。しかしながら、トルク伝達ボールを８個以上にすることによって、内輪のボール溝と外輪のボール溝との交差角が小さくなっても、ある値まではケージの駆動が安定する。これは、くさび角が反転してしまったトルク伝達ボールの駆動力を、他のトルク伝達ボールが分担して、ケージの駆動を安定させることによる。後述の表１はこの現象を表している。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
本発明によれば、クロスグルーブ型等速自在継手の摺動ストロークをかせぐためにボール溝の傾き角を小さくしても、折り曲げ時に引っかかりが起きることがないため、最大作動角が小さくならない。したがって、クロスグルーブ型等速自在継手の最大作動角を小さくすることなく摺動ストロークをかせぐことができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
軸線に対する各ボール溝２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂの傾き角を符号βで表してある。互いに逆方向にねじれた内輪２のボール溝２ａ（またはボール溝２ｂ）と外輪４のボール溝４ａ（またはボール溝４ｂ）が対をなし、両者の交差角は２βで表される。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
トルク伝達ボールが６個の場合と同じように８個の場合につき最大作動角を確認するため、折曲げ角度が±１０°の場合の折り曲げ戻し操作時の抵抗トルクを解析によって求めたところ、ボール溝２ａ，２ｂ；４ａ，４ｂの傾き角βを小さくしていっても、傾き角βが４．５°までは引っかかる現象が現れないことがわかった。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
表１に、トルク伝達ボールが６個のクロスグルーブ型等速自在継手と、トルク伝達ボールが８個のクロスグルーブ型等速自在継手のそれぞれについて、ボール溝の傾き角βをどこまで小さくしていくと折り曲げ戻し操作時の引っかかりが起きるか実験した結果を示す。折曲げ角度θは±１０°であった。引っかかり現象の有無によってクロスグルーブ型等速自在継手の成立の可否を判断し、可は○、否は×で表してある。表１より、トルク伝達ボールが８個の場合、ボール溝の傾き角βを４．５°まで小さくしても引っかかりなし、つまり、クロスグルーブ型等速自在継手として成立することが確認された。トルク伝達ボールが６個の場合、傾き角βが８．０°で引っかかりが発生した。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
【表１】
2006132669.tif 000009
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
ところで、特許文献１において、限界角度はボール溝の傾き角によって定式化されていた。その式はトルク伝達ボールの個数に関係なく成立する式である。つまり、トルク伝達ボールの個数が増えても引っかかり現象は現れるはずである。しかしながら、表１に示したとおり、トルク伝達ボール８個以上では、対をなす内・外輪のボール溝によって構成されるくさび角効果による引っかかり現象は起きていないことを確認した。このことは、トルク伝達ボールの個数を増やすことによって、ある位相に存在するトルク伝達ボールからケージに作用する力が、くさび角が０になる効果によって失われることを他のトルク伝達ボールがカバーして、等速自在継手が不安定になることを回避しているものと推測される。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
２  内輪
２ａ，２ｂ  ボール溝
４  外輪
４ａ，４ｂ  ボール溝
６  トルク伝達ボール
８  ケージ
α  接触角
β  傾き角
２β  交差角（くさび角）
θ  折曲げ角