(57)【要約】【課題】  継手をサイズアップしてトルク容量を増加させることなく、耐熱性の高い潤滑材およびシール部材を使用することなく、ボールの表面起点や転動疲労による損傷を抑制して稼働寿命の向上を図る。【解決手段】  軸方向に延びるトラック溝１１が内周面１２の複数箇所に形成された外側継手部材１０と、軸方向に延びるトラック溝２１が外側継手部材１０のトラック溝１１と対をなして外周面２２の複数箇所に形成された内側継手部材２０と、外側継手部材１０のトラック溝１１と内側継手部材２０のトラック溝２１との間に介在してトルクを伝達する転動体３０，４０と、外側継手部材１０の内周面１２と内側継手部材２０の外周面２２との間に配されて転動体３０，４０をポケット５１で保持するケージ５０とを備え、転動体を鋼製転動体３０とセラミック製転動体４０とで構成し、セラミック製転動体４０の外径Ｄ40を鋼製転動体３０の外径Ｄ30よりも大きく設定する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に延びるトラック溝が内周面の複数箇所に形成された外側継手部材と、軸方向に延びるトラック溝が前記外側継手部材のトラック溝と対をなして外周面の複数箇所に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転動体と、前記外側継手部材の内周面と前記内側継手部材の外周面との間に配されて前記転動体をポケットで保持するケージとを備え、
前記転動体を鋼製転動体とセラミック製転動体とで構成し、前記セラミック製転動体の外径を鋼製転動体よりも大きく設定したことを特徴とする等速自在継手。
【請求項２】
前記転動体は、鋼製転動体とセラミック製転動体とが継手周方向に沿って交互に配置されている請求項１に記載の等速自在継手。
【請求項３】
前記転動体は、鋼製転動体とセラミック製転動体とが継手中心に対して対称位置に配置されている請求項１に記載の等速自在継手。
【請求項４】
前記セラミック製転動体の外径と前記鋼製転動体の外径との差を１〜５０μｍとした請求項１〜３のいずれか一項に記載の等速自在継手。
【請求項５】
前記ケージのポケットの軸方向幅寸法は、前記鋼製転動体の外径と同一に設定されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の等速自在継手。
【請求項６】
前記セラミック製転動体は、縦弾性係数が２５０〜４５０×１０9Ｎ／ｍ2、比重が３〜６ｇ／ｃｍ3、線膨張係数が２〜８×１０-6／℃である素材からなる請求項１〜５のいずれか一項に記載の等速自在継手。
【請求項７】
前記外側継手部材は球面状内周面に円弧状トラック溝が形成され、前記内側継手部材は球面状外周面に円弧状トラック溝が形成され、前記転動体はボールである請求項１〜６のいずれか一項に記載の等速自在継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業機械や農業機械などの各種駆動装置において、劣悪な環境下で使用される等速自在継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、産業機械や農業機械などの各種駆動装置に使用される等速自在継手には、ツェッパ型（ＢＪ）やアンダーカットフリー型（ＵＪ）の固定式等速自在継手と、ダブルオフセット型（ＤＯＪ）やクロスグルーブ型（ＬＪ）の摺動式等速自在継手との二種があり、これら等速自在継手は、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トルクを伝達し得る構造を備え、トルク伝達部材としてボールが使用されている。
【０００３】
等速自在継手は、軸方向に延びるトラック溝が内周面の複数箇所に形成された外側継手部材と、軸方向に延びるトラック溝が外側継手部材のトラック溝と対をなして外周面の複数箇所に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ボールと、外側継手部材の内周面と内側継手部材の外周面との間に配されてボールをポケットで保持するケージとを備えた構造を有する。この等速自在継手におけるボールの個数は、６個あるいは８個が一般的である。
【０００４】
等速自在継手で使用されるボールの材質としては高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）が適用され、全てのボールは同一の材質で同一の外径のもので構成されており、その機械的性質（縦弾性係数など）や熱的特性（線膨張係数など）も同等である。この等速自在継手では、稼働中、略一定のトルク（接触荷重）で回転しているため、前述したように機械的性質や熱的特性が同等である各ボールに負荷される荷重は均等に分配されている。また、継手内部の潤滑方法としては、一般的にグリースが多く適用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１２７８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前述した従来の等速自在継手では、稼働中、略一定のトルク（接触荷重）で回転しているが、劣悪な環境下で使用されることから、急激な衝撃荷重を伴うトルクが発生することがあり、その場合、外側継手部材または内側継手部材とボールとの接触部が局部的に高温（例えば２００〜２５０℃）に達することがある。
【０００７】
また、継手外部からの輻射熱や伝導熱などによる高温雰囲気（例えば８０℃以上）に晒される場合もあるため、ボールが熱的影響で膨張し、継手本来のトルク伝達や回転に適したポケット隙間（ケージのポケットとボールとの隙間）が過小になることがある。
【０００８】
このポケット隙間が過小になると、ボールに滑りが発生し易くなり、外側継手部材または内側継手部材とボールとの接触部での発熱が促進されると共に、その熱的影響で継手内部のグリースの離油および酸化が促進されることによりグリースが早期に劣化することになる。
【０００９】
以上のように継手内部で過大な衝撃荷重や滑りが発生すると、ボールの表面起点や転動疲労による損傷が起こる原因となり、継手の稼働寿命が計算寿命や実験データから得られた実寿命時間よりも短くなることがある。
【００１０】
ここで、ボールの表面起点や転動疲労による損傷を抑制することにより継手の耐久性を向上させて長寿命化を図る手段として、継手をサイズアップしてトルク容量を増加させる方法や、高温でも潤滑性能の低下を抑制し得る耐熱性の高い潤滑材あるいは金属製シール部材を使用する方法が考えられる。
【００１１】
しかしながら、以上のように継手の耐久性を向上させて長寿命化を図る手段を採用した場合、継手の外径が大きくなることで継手が駆動装置の周辺部材と干渉し易くなり、継手の取り付けにスペース的な制約を受けることになる。また、継手の重量増加や耐熱性の高い潤滑材またはシール部材の使用で継手のコストアップを招くことになる。
【００１２】
そこで、本発明は前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、継手をサイズアップしてトルク容量を増加させることなく、耐熱性の高い潤滑材またはシール部材を使用することなく、ボールの表面起点や転動疲労による損傷を抑制して稼働寿命の向上を図り得る等速自在継手を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明に係る等速自在継手は、軸方向に延びるトラック溝が内周面の複数箇所に形成された外側継手部材と、軸方向に延びるトラック溝が外側継手部材のトラック溝と対をなして外周面の複数箇所に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転動体と、外側継手部材の内周面と内側継手部材の外周面との間に配されて転動体をポケットで保持するケージとを備え、転動体を鋼製転動体とセラミック製転動体とで構成し、セラミック製転動体の外径を鋼製転動体よりも大きく設定したことを特徴とする。
【００１４】
本発明では、転動体を鋼製転動体とセラミック製転動体とで構成したことにより、セラミック製転動体が鋼製転動体よりも機械的性質および熱的特性において優れた材料特性を有することから、継手内部で過大な衝撃荷重や滑りが発生しても、転動体の表面起点や転動疲労による損傷が発生し難く耐久性の向上が図れる。
【００１５】
また、セラミック製転動体の外径を鋼製転動体よりも大きく設定したことにより、継手が略一定のトルク（接触荷重）で回転している場合や継手が高温雰囲気に晒されていない場合には、鋼製転動体よりも大径のセラミック製転動体にトルク伝達による接触荷重が負荷される。一方、急激な衝撃荷重を伴うトルクが発生して外側継手部材あるいは内側継手部材と転動体との接触部が局部的に高温に達した場合や継手が高温雰囲気に晒されている場合には、セラミック製転動体よりも線膨張係数が大きい鋼製転動体が熱膨張することでセラミック製転動体と鋼製転動体との外径差が緩和され、セラミック製転動体および鋼製転動体に負荷される接触荷重が均等に分配される。その結果、継手本来のトルク伝達や回転に適したポケット隙間を容易に確保することができる。
【００１６】
本発明における転動体は、鋼製転動体とセラミック製転動体とが継手周方向に沿って交互に配置されているか、あるいは、鋼製転動体とセラミック製転動体とが継手中心に対して対称位置に配置されていることが望ましい。このようにすれば、継手内でバランスのよいトルク伝達を容易に実現することができる。
【００１７】
本発明において、セラミック製転動体の外径を鋼製転動体よりも大きく設定する場合、セラミック製転動体の外径と鋼製転動体の外径との差を１〜５０μｍとすることが望ましい。このようにすれば、急激な衝撃荷重を伴うトルクが発生して転動体の接触部が局部的に高温に達した場合や継手が高温雰囲気に晒されている場合には、セラミック製転動体よりも線膨張係数が大きい鋼製転動体が熱膨張することでセラミック製転動体と鋼製転動体との外径差が容易に緩和される。
【００１８】
なお、セラミック製転動体の外径と鋼製転動体の外径との差が１μｍよりも小さいと、鋼製転動体の熱膨張によりポケット隙間が過小となり、セラミック製転動体および鋼製転動体に負荷される接触荷重を均等に分配することが困難となる。逆に、セラミック製転動体の外径と鋼製転動体の外径との差が５０μｍよりも大きいと、鋼製転動体が熱膨張してもポケット隙間が過大となり、セラミック製転動体および鋼製転動体に負荷される接触荷重を均等に分配することが困難となる。
【００１９】
本発明では、ケージのポケットの軸方向幅寸法は、鋼製転動体の外径と同一に設定されていることが望ましい。このように、継手の常温時において、ポケットの軸方向幅寸法を鋼製転動体の外径と同一に設定することで鋼製転動体のポケット隙間が０であり、セラミック製転動体のポケット隙間が負隙間（締め代）の状態となる。その結果、鋼製転動体が熱膨張してもポケット隙間が過小となることがないので、継手本来のトルク伝達や回転に適したポケット隙間を容易に確保することができる。
【００２０】
本発明におけるセラミック製転動体は、縦弾性係数が２５０〜４５０×１０9Ｎ／ｍ2、比重が３〜６ｇ／ｃｍ3、線膨張係数が２〜８×１０-6／℃である素材で構成することが望ましい。このようにすれば、セラミック製転動体が機械的性質および熱的特性において優れた材料特性を有する点で、継手内部で過大な衝撃荷重や滑りが発生しても、転動体の表面起点や転動疲労による損傷が発生し難くなる点で有効である。
【００２１】
本発明は、球面状内周面に円弧状トラック溝が形成された外側継手部材と、球面状外周面に円弧状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するボールと、外側継手部材の内周面と内側継手部材の外周面との間に配されてボールをポケットで保持するケージとで構成された固定式等速自在継手、例えばツェッパ型やアンダーカットフリー型の等速自在継手に適用すれば有効である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、転動体を鋼製転動体とセラミック製転動体とで構成したことにより、セラミック製転動体が鋼製転動体よりも機械的性質および熱的特性において優れた材料特性を有することから、継手内部で過大な衝撃荷重や滑りが発生しても、転動体の表面起点や転動疲労による損傷が発生し難く耐久性の向上が図れる。その結果、継手をサイズアップしてトルク容量を増加させることなく、耐熱性の高い潤滑材またはシール部材を使用することなく、稼働寿命の向上が容易に図れ、継手自体の軽量化も図れる。
【００２３】
また、セラミック製転動体の外径を鋼製転動体よりも大きく設定したことにより、急激な衝撃荷重を伴うトルクが発生して転動体の接触部が局部的に高温に達した場合や継手が高温雰囲気に晒されている場合でも、セラミック製転動体よりも線膨張係数が大きい鋼製転動体が熱膨張することでセラミック製転動体と鋼製転動体との外径差が緩和され、セラミック製転動体および鋼製転動体に負荷される接触荷重が均等に分配される。その結果、継手本来のトルク伝達や回転に適したポケット隙間を容易に確保することができるので、転動体に滑りが発生し難く、転動体の接触部での発熱も抑制されてグリースの離油および酸化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態（６個ボール）で、（Ａ）は鋼製ボールおよびセラミック製ボールを示す等速自在継手の横断面図、（Ｂ）は（Ａ）の鋼製ボールが熱膨張した状態を示す等速自在継手の横断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態（８個ボール）で、（Ａ）は鋼製ボールおよびセラミック製ボールを示す等速自在継手の横断面図、（Ｂ）は（Ａ）の鋼製ボールが熱膨張した状態を示す等速自在継手の横断面図である。
【図３】６個ボールにおいて、鋼製ボールおよびセラミック製ボールの他の配置例を示す等速自在継手の横断面図である。
【図４】８個ボールにおいて、鋼製ボールおよびセラミック製ボールの他の配置例を示す等速自在継手の横断面図である。
【図５】ポケットに鋼製ボールを収容したケージを示す縦断面図である。
【図６】（Ａ）はツェッパ型等速自在継手の全体構成を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の側面図である。
【図７】（Ａ）は等速自在継手の外側継手部材を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の側面図である。
【図８】（Ａ）は等速自在継手の内側継手部材を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の側面図である。
【図９】（Ａ）は等速自在継手のケージを示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明に係る等速自在継手の実施形態を以下に詳述する。以下の実施形態では、トルク伝達部材である転動体としてボールを用いたツェッパ型等速自在継手（ＢＪ）を例示するが、他のボールタイプの固定式等速自在継手としてアンダーカットフリー型等速自在継手（ＵＪ）にも適用可能であり、さらに、他のボールタイプの摺動式等速自在継手としてダブルオフセット型等速自在継手（ＤＯＪ）やクロスグルーブ型等速自在継手（ＬＪ）にも適用可能である。
【００２６】
図６（Ａ）（Ｂ）に示すツェッパ型等速自在継手は、軸方向に延びる６つの円弧状トラック溝１１が球面状内周面１２に円周方向等間隔で形成された外側継手部材１０〔図７（Ａ）（Ｂ）参照〕と、その外側継手部材１０のトラック溝１１と対をなして６つの円弧状トラック溝２１が球面状外周面２２に形成された内側継手部材２０〔図８（Ａ）（Ｂ）参照〕と、外側継手部材１０のトラック溝１１と内側継手部材２０のトラック溝２１との間に介在するトルク伝達部材としての転動体である６個のボール３０，４０と、外側継手部材１０の球面状内周面１２と内側継手部材２０の球面状外周面２２との間に配されてボール３０，４０を保持するケージ５０〔図９（Ａ）（Ｂ）参照〕とで主要部が構成されている。
【００２７】
このケージ５０の円周方向等配位置には、前述のボール３０，４０を転動自在に収容する略矩形状のポケット５１が形成されている。等速自在継手におけるボール３０，４０の個数は、前述した６個以外に８個があり、その数は任意である。なお、シール部材（図示せず）で密閉された継手内部には、内側継手部材２０、ボール３０，４０およびケージ５０からなる内部部品の摺動動作を円滑にするために潤滑材としてグリースが封入されている。
【００２８】
図１（Ａ）は６個ボールの等速自在継手を示し、図２（Ａ）は８個ボールの等速自在継手を示す。これら等速自在継手において、同図に示すように、外側継手部材１０のトラック溝１１と内側継手部材２０のトラック溝２１との間に介在する６個（８個）のボール３０，４０を３個（４個）の鋼製ボール３０と３個（４個）のセラミック製ボール４０とで構成し、セラミック製ボール４０の外径Ｄ40を常温時における鋼製ボール３０の外径Ｄ30よりも大きく設定している（Ｄ40＞Ｄ30）。セラミック製ボール４０は外側継手部材１０のトラック溝１１と内側継手部材２０のトラック溝２１とに接触した状態にあり、鋼製ボール３０は外側継手部材１０のトラック溝１１と内側継手部材２０のトラック溝２１との間に隙間ｍを有する。なお、この等速自在継手では、同数の鋼製ボール３０とセラミック製ボール４０とが継手周方向に沿って交互に円周方向等間隔で配置されている。
【００２９】
以上の構成からなる等速自在継手では、６個（８個）のボール３０，４０を３個（４個）の鋼製ボール３０と３個（４個）のセラミック製ボール４０とで構成したことにより、セラミック製ボール４０が鋼製ボール３０よりも機械的性質および熱的特性において優れた材料特性を有する。つまり、セラミック製ボール４０は、鋼製ボール３０よりも機械的性質としての縦弾性係数が大きく、比重が小さく、また、熱的特性としての線膨張係数が小さい。このことから、継手内部で過大な衝撃荷重や滑りが発生しても、ボール３０，４０の表面起点や転動疲労による損傷が発生し難く耐久性の向上が図れる。その結果、継手をサイズアップしてトルク容量を増加させることなく、耐熱性の高い潤滑材およびシール部材を使用することなく、稼働寿命の向上が容易に図れ、継手自体の軽量化も図れる。
【００３０】
また、セラミック製ボール４０の外径Ｄ40を鋼製ボール３０の外径Ｄ30よりも大きく設定したことにより、継手が略一定のトルク（接触荷重）で回転している場合や継手が高温雰囲気に晒されていない場合には、図１（Ａ）および図２（Ａ）に示すように、セラミック製ボール４０が外側継手部材１０のトラック溝１１と内側継手部材２０のトラック溝２１とに接触した状態にあり、鋼製ボール３０が外側継手部材１０のトラック溝１１と内側継手部材２０のトラック溝２１との間に隙間ｍを有することから、鋼製ボール３０よりも大径のセラミック製ボール４０にトルク伝達による接触荷重が負荷される。
【００３１】
一方、急激な衝撃荷重を伴うトルクが発生して外側継手部材１０または内側継手部材２０とボール３０，４０との接触部が局部的に高温（例えば２００〜２５０℃）に達した場合や継手が高温雰囲気（例えば８０℃以上）に晒されている場合には、セラミック製ボール４０よりも線膨張係数が大きい鋼製ボール３０が熱膨張することでセラミック製ボール４０と鋼製ボール３０との外径差が緩和され、図１（Ｂ）および図２（Ｂ）に示すように、セラミック製ボール４０だけでなく、鋼製ボール３０も外側継手部材１０のトラック溝１１と内側継手部材２０のトラック溝２１とに接触することから、セラミック製ボール４０および鋼製ボール３０に負荷される接触荷重が均等に分配される。その結果、継手本来のトルク伝達や回転に適したポケット隙間を容易に確保することができるので、ボール３０，４０に滑りが発生し難く、外側継手部材１０または内側継手部材２０とボール３０，４０との接触部での発熱も抑制されてグリースの離油および酸化を防止できる。
【００３２】
なお、図１（Ａ）および図２（Ａ）に示す実施形態では、同数の鋼製ボール３０とセラミック製ボール４０とを継手周方向に沿って交互に配置した場合を例示したが、図３に示す実施形態（６個ボール）および図４に示す実施形態（８個ボール）のように、鋼製ボール３０とセラミック製ボール４０とを継手中心に対して対称位置に配置するようにしてもよい。このように配置することにより、継手内でバランスのよいトルク伝達を容易に実現することができる。ここで、「継手中心に対して対称位置に配置する」とは、継手中心に対して１８０°対向位置に同一製ボール３０，４０を配置することを意味する。
【００３３】
以上のように、セラミック製ボール４０の外径Ｄ40を鋼製ボール３０の外径Ｄ30よりも大きく設定する場合、セラミック製ボール４０の外径Ｄ40と鋼製ボール３０の外径Ｄ30との差を１〜５０μｍとする。このような数値範囲でセラミック製ボール４０の外径Ｄ40と鋼製ボール３０の外径Ｄ30との差を規定することにより、急激な衝撃荷重を伴うトルクが発生して外側継手部材１０または内側継手部材２０とボール３０，４０との接触部が局部的に高温に達した場合や継手が高温雰囲気に晒されている場合には、セラミック製ボール４０よりも線膨張係数が大きい鋼製ボール３０が熱膨張することでセラミック製ボール４０と鋼製ボール３０との外径差が容易に緩和される。
【００３４】
なお、セラミック製ボール４０の外径Ｄ40と鋼製ボール３０の外径Ｄ30との差が１μｍよりも小さいと、鋼製ボール３０の熱膨張によりポケット隙間が過小となり、セラミック製ボール４０および鋼製ボール３０に負荷される接触荷重を均等に分配することが困難となる。逆に、セラミック製ボール４０の外径Ｄ40と鋼製ボール３０の外径Ｄ30との差が５０μｍよりも大きいと、鋼製ボール３０が熱膨張してもポケット隙間が過大となり、セラミック製ボール４０および鋼製ボール３０に負荷される接触荷重を均等に分配することが困難となる。
【００３５】
また、図５に示すように、ケージ５０のポケット５１の軸方向幅寸法Ｗは、鋼製ボール３０の外径Ｄ30と同一に設定されている（Ｗ＝Ｄ30）。このようにポケット５１の軸方向幅寸法Ｗを鋼製ボール３０の外径Ｄ30と同一に設定することにより、継手の常温時において、鋼製ボール３０のポケット隙間が０であり、その鋼製ボール３０よりも大径であるセラミック製ボール４０のポケット隙間が負隙間（締め代）の状態となる。その結果、鋼製ボール３０が熱膨張してもポケット隙間が過小となることがないので、継手本来のトルク伝達や回転に適したポケット隙間を容易に確保することができる。
【００３６】
以上で説明したセラミック製ボール４０は、機械的性質としての縦弾性係数が２５０〜４５０×１０9Ｎ／ｍ2、比重が３〜６ｇ／ｃｍ3で、熱的特性としての線膨張係数が２〜８×１０-6／℃である素材、例えば、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素から選択されるいずれか一つの素材で構成すればよい。これにより、セラミック製ボール４０が機械的性質および熱的特性において優れた材料特性を有する点で、継手内部で過大な衝撃荷重や滑りが発生しても、ボール３０，４０の表面起点や転動疲労による損傷が発生し難くなる点で有効である。
【００３７】
なお、鋼製ボール３０については、従来と同様、高炭素クロム軸鋼（ＳＵＪ２）で構成すればよい。高炭素クロム軸鋼（ＳＵＪ２）で構成された鋼製ボール３０の場合、機械的性質としての縦弾性係数が２１０×１０9Ｎ／ｍ2、比重が７．９ｇ／ｃｍ3で、熱的特性としての線膨張係数が１２×１０-6／℃である。
【００３８】
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、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】
【００３９】
１０  外側継手部材
１１  トラック溝
１２  内周面
２０  内側継手部材
２１  トラック溝
２２  外周面
３０  鋼製転動体（鋼製ボール）
４０  セラミック製転動体（セラミック製ボール）
５０  ケージ
５１  ポケット
Ｄ30  鋼製転動体の外径
Ｄ40  セラミック製転動体の外径
Ｗ  ポケットの軸方向幅寸法
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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