(57)【要約】      （修正有）【課題】固定式等速ジョイントの伝達効率を一層向上させる。【解決手段】固定式等速ジョイントは、内球面12に軸方向に延びるボール溝14を円周方向に所定間隔で形成した外側継手部材10と、外球面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に所定間隔で形成した内側継手部材と、対をなす外側継手部材10のボール溝14と内側継手部材のボール溝との間に介在させたボールと、外側継手部材10の内球面12と内側継手部材の外球面との間に介在してすべてのボールを同一平面内に保持するケージとを備え、外側継手部材10のボール溝14の中心と内側継手部材のボール溝の中心が継手中心から互いに逆向きに軸方向にオフセットさせてあり、高角度域ではすべてのボールがトルク伝達を分担し、低角度域では高角度域よりも少ない数のボールでトルク伝達を行なうようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内球面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に所定間隔で形成した外側継手部材と、外球面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に所定間隔で形成した内側継手部材と、対をなす外側継手部材のボール溝と内側継手部材のボール溝との間に介在させたボールと、外側継手部材の内球面と内側継手部材の外球面との間に介在してすべてのボールを同一平面内に保持するケージとを備え、外側継手部材のボール溝の中心と内側継手部材のボール溝の中心が継手中心から互いに逆向きに軸方向にオフセットさせてあり、高角度域ではすべてのボールがトルク伝達を分担し、低角度域では高角度域よりも少ない数のボールでトルク伝達を行なうようにした固定式等速ジョイント。
【請求項２】
ボールの総数は５を下限とする請求項１の固定式等速ジョイント。
【請求項３】
低角度域でトルク伝達を行なうボールの数は３を下限とする請求項１または２の固定式等速ジョイント。
【請求項４】
低角度域でトルク伝達を行なうボールの間隔は１２０度を上限とする請求項１、２または３の固定式等速ジョイント。
【請求項５】
前記低角度域は０〜１０度の範囲とし、その時にボールが占める角度位置のボール溝に窪みが形成してある請求項１から４のいずれか１項の固定式等速ジョイント。
【請求項６】
前記ボール溝が内側継手部材のボール溝もしくは外側継手部材のボール溝または内側継手部材のボール溝および外側継手部材のボール溝である請求項５の固定式等速ジョイント。
【請求項７】
前記窪みの断面形状はボール溝の表面となだらかに連なった溝形状である請求項５または６の固定式等速ジョイント。
【請求項８】
前記窪みは塑性加工により形成したもの、または塑性加工とその後の切削加工により形成したものである請求項５，６または７の固定式等速ジョイント。
【請求項９】
ボール溝のピッチを不等にした請求項１から８のいずれか１項の固定式等速ジョイント。
【請求項１０】
外側継手部材のトラックオフセット量と内側継手部材のトラックオフセット量が異なる請求項１から９のいずれか１項の固定式等速ジョイント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は自動車や各種産業機械の動力伝達装置に利用される固定式等速ジョイントに関する。固定式等速ジョイントはトルク伝達要素としてボールを用いる等速ジョイントのうち角度変位のみ可能で軸方向変位ができないタイプであって、バーフィールド型やアンダーカットフリー型などが知られている。
【背景技術】
【０００２】
自動車用の固定式等速ジョイントについて述べると、前輪駆動車ではドライブシャフトを用いてエンジンからの動力を前輪に伝達するようになっている。ドライブシャフトは中間シャフトの両端に固定式等速ジョイントとしゅう動式等速ジョイントを取り付けたもので、固定式等速ジョイントを前輪の車軸と接続し、しゅう動型等速ジョイントをデファレンシャルの出力軸に接続する。バウンシングなどに起因するドライブシャフトの伸縮はしゅう動型等速ジョイントのプランジングで吸収する。固定式等速ジョイントについては、自動車が旋回する時には転舵角をとるため作動角が大きくなるが、自動車の直進状態での作動角は低く設定されている。したがって、使用状態の大半を占める直進状態での固定式等速ジョイントの効率を改善することが重要な要素となる。
【０００３】
特許文献１および特許文献２には、使用するボールの数を８とするとともに、ボール直径、トラックオフセット量を小さくすることにより、高効率・コンパクトにした固定式等速ジョイントが記載されている。小径ボール・小トラックオフセットの構成を採用することで、内輪のボール溝に沿ってボールが移動する距離（接触点軌跡）と、外輪のボール溝に沿ってボールが移動する距離（接触点軌跡）との差が少なくなるため、ボールとボール溝との間のすべり速度が減少し、トルク伝達効率が向上する。図１０〜１２を参照して説明すると次のとおりである。図１０（Ａ）は６個ボールの固定式等速ジョイントの縦断面図、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）におけるボールまわりの部分拡大図である。図１１（Ａ）は８個ボールの固定式等速ジョイントの縦断面図、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）におけるボールまわりの部分拡大図である。図１０および１１は作動角０度の状態、図１２は作動角４０度の状態を示している。図１２の中心線より上には内輪とボールとの接触点の軌跡が太線で示してあり、中心線より下には外輪とボールとの接触点の軌跡が太線で示してある。この接触点の軌跡の長さ比を表１に示す。
【０００４】
【表１】
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【０００５】
固定式等速ジョイントがトルクを伝達しながら回転するとき、ボールがケージ窓を楔角が開いている方向に押すため、外輪球面部（開口側に近い球面）とケージ外球面が接触する。ケージはボールによって押されて、開口部側に押し出されるため、ケージ内球面は内輪の外球面と接触する。球面嵌合部間で発生している力のことを球面力と呼んでいる。図１０と図１１を対比すれば分かるように、小トラックオフセット（ｆ：図１１）とすることにより、大トラックオフセット（Ｆ：図１０）に比べてボールの挟み角（２β）が小さくなり、ボールを軸方向に押す力が減少する（Ｍ＞Ｍ′）。このボールを軸方向に押す力Ｍ，Ｍ′は、ケージに伝わり、その結果、ケージと外輪内球面との球面力・ケージと内輪外球面との球面力が減少し、接触部の摩擦損失が少なくなり伝達効率が向上する。
【０００６】
このように、特許文献１および特許文献２に記載のものは、それ以前の固定式等速ジョイントと比較すると、上記理由により球面間で発生する球面力を減らすことにより、球面接触での摩擦発熱が少なく、また、ボールとボール溝との間の滑りも少ないため、伝達効率が向上している。
【特許文献１】特許第３４６０１０７号公報
【特許文献２】特許第３８５９２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明の課題は、特許文献１および特許文献２に記載された、固定式等速ジョイントの効率を向上させた小径ボール・小オフセットの構成に加えて、あるいは、それとは別の構成により、さらに伝達効率を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の固定式等速ジョイントは、内球面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に所定間隔で形成した外側継手部材と、外球面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に所定間隔で形成した内側継手部材と、対をなす外側継手部材のボール溝と内側継手部材のボール溝との間に介在させたボールと、外側継手部材の内球面と内側継手部材の外球面との間に介在してすべてのボールを同一平面内に保持するケージとを備え、外側継手部材のボール溝の中心と内側継手部材のボール溝の中心が継手中心から互いに逆向きに軸方向にオフセットさせてあり、高角度域ではすべてのボールがトルク伝達を分担し、低角度域では高角度域よりも少ない数のボールでトルク伝達を行なうようにしたことを特徴とするものである。
【０００９】
外側継手部材のボール溝および内側継手部材のボール溝について、円周方向に所定間隔でとは、円周方向に等間隔とするほか不等間隔すなわち不等ピッチを含む趣旨である。いずれの場合でも、外側継手部材のボール溝と内側継手部材のボール溝が対をなすように配置する。
【００１０】
等速ジョイント内部のボール数を変化させて伝達効率に与える影響を機構解析で調査した結果、低角度域（常用で使用する領域）ではボール数を少なくするとトルクロスが少ないことが判明した。すなわち、図１３に示すように、低角度域ではボール数が少ない方が転がり・滑り摩擦量が少なくなるためトルクロスが減少する。図１３は、横軸に内部すきま条件Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４、縦軸にトルクロスをとり、ボール数を３、５、６、７とした４種類の固定式等速ジョイントについて、ボール数の違いによる伝達効率の変化を表したものである。
【００１１】
また、高角度域（車両では転舵する時に使用される）では、ボール数を多くするとトルクロスが少ないことも判明した（図１４参照）。図１４は、横軸に内部すきま条件Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４、縦軸にトルクロスをとり、ボール数を３、５、６、７とした４種類の固定式等速ジョイントについて、ボール数の違いによる伝達効率の変化を表したものである。高角度域では、ボール数が少ないと非負荷側のボール溝で受ける荷重が多くなり、トルクロスとなる。したがって、高角度域ではボール数が多いほうが有利となる（図１５および図１６参照）。図１５は、ボール数３、５、６、７の４種類の固定式等速ジョイントについて、作動角４４度での非負荷側トラック荷重比較を示し、横軸は位相角、縦軸は荷重を表している。図１６は位相角の説明図である。
【００１２】
ここで、内部すきま条件ＡとはＰＣＤすきまの効果を意味する。ＰＣＤすきまとは、内輪のボール溝のピッチ円直径（ＰＣＤ）と外輪のボール溝のピッチ円直径（ＰＣＤ）との差をいう。内部すきま条件Ｂとは球面すきまの効果を意味する。球面すきまには２種類ある。一つは、内輪外球面とケージ内球面との間のすきまであり、もう一つは外輪内球面とケージ外球面との間のすきまである。ここでは両者を加算した値を球面すきまとしている。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、高角度域ではすべてのボールがトルク伝達を分担し、低角度域では高角度域よりも少ない数のボールでトルク伝達を行なう。具体例としては、内輪もしくは外輪または両方のボール溝に窪みを形成し、ボールとの接触がない領域を持つボール溝と通常の形状のボール溝とを有する固定式等速ジョイントとしたもので、この場合を例にとって作用を説明するならば次のとおりである。
【００１４】
低角度域では、窪みを有するボール溝はボールとの間でトルク伝達をすることができないため、この固定式等速ジョイントはトルクを伝達するボール数が減少し、トルクロスが減少する。高角度域では、トルク負荷側以外の非負荷側でもボール溝とボールの接触が発生し、トルクロスの原因になっていた。しかし、窪みを形成したボール溝では、非負荷側に発生する荷重が窪みにボールが位置する位相と一致するため、非負荷側ではボールとの間でトルク伝達が行われない。したがって、トルクロスが抑えられ、従来の形式と同等以上の伝達効率が得られる。以上の結果、従来の形式よりトルクロスを減らすことができる。
【００１５】
ボール溝とボールは、通常は内輪→ボール→外輪と接触することにより、荷重が加わりトルクを伝える。低角度域（作動角０〜１０度）でボール溝側壁に窪みを設けると、窪み部分ではボールとの間のすきまが大きくなるため、内輪とボールとの間、ボールと外輪との間の摩擦接触が不十分となり、荷重がボール溝側壁に伝わらず、トルク伝達が行われない。もちろん、窪みを設けないボール溝では従来どおりトルクが伝達される。低角度域では、すべてのボール溝の数から窪みを設けたボール溝の数を引いた数のボール溝が荷重を受けてトルクを伝達する。
【００１６】
通常のボール溝では、ボールとボール溝側壁が接触して荷重を受け、作動角が０度以上では、ボール溝側壁上をボールが移動し、内輪のボール溝とボール、外輪のボール溝とボールではその接触位置の違いから軌跡差が生じる。そのため、ボールとボール溝間では転がり・滑り摩擦によるトルクロスが発生する。窪みを設けたボール溝では、ボールが窪みにあるときには、ボールとボール溝側壁との接触がないことからトルクロスが生じないため、低角度域でのトルクロスが低減する。
【００１７】
高角度域では、ボール数が少ないと非負荷側のボール溝で受ける荷重が多くなり、トルクロスが発生する。高角度域では、負荷側の荷重はボール溝の数と同数で荷重が受けられ、非負荷側の荷重が発生する位相角では窪みを設けたボール溝では、非負荷側の接触がなく、トルクロスが抑えられる。低角度域と高角度域でのトルクロスが減少するため、従来の形式の固定式等速ジョイントよりトルクロスを減らすことができ、伝達効率は向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。
まず、図１０を参照して固定式等速ジョイントの基本構成を説明すると、固定式等速ジョイントは、外側継手部材としての外輪１０と、内側継手部材としての内輪２０と、トルク伝達要素としてのボール３０と、ボール３０を保持するケージ４０を主要な構成要素としている。
【００１９】
外輪１０は、球面状の内周面（以下、内球面という）１２を有し、その内球面１２の円周方向に等間隔で、軸方向に延びるボール溝１４が形成してある。内輪２０は、球面状の外周面（以下、外球面という）２２を有し、その外球面２２の円周方向に等間隔で、軸方向に延びるボール溝２４が形成してある。外輪１０のボール溝１４と内輪２０のボール溝２４は対をなし、各対のボール溝１４，２４間に１個のボール３０が組み込んである。
【００２０】
ケージ４０は円周方向に所定間隔に配置したポケット４２を有し、各ポケット４２はケージ４０を半径方向に貫通している。ボール３０はケージ４０のポケット４２に収容され、その結果、すべてのボール３０が同一平面内に保持される。ケージ４０の外周面は球面状で、外輪１０の内球面１２と所定のすきま（球面すきま）をもって球面接触する。ケージ４０の内周面は球面状で、内輪２０の外球面２２と所定のすきま（球面すきま）をもって球面接触する。
【００２１】
外輪１０のボール溝１４の中心Ｏ１と、内輪２０のボール溝２４の中心Ｏ２は、継手中心Ｏから互いに逆向きに、軸方向に等距離ｆだけオフセットさせてある。このように、図１０の固定式等速ジョイントは、中心Ｏ１、Ｏ２をオフセットさせた円弧状のボール溝１４，２４でトラックを形成し、そのトラックは外輪１０の開口とは反対側に向かって漸次縮小したくさび状を呈している（バーフィールド型）。高角の作動角をとることができるようにするため、外輪１０の開口側におけるボール溝１４の一部分と、外輪１０の開口とは反対側のボール溝２４の一部分に、それぞれ軸線と平行な直線部分を設けて、ボール溝のアンダーカットをなくしたアンダーカットフリー型、さらに、前記直線部分をテーパ状にしたタイプも知られており、いずれも適用対象とすることができる。
【００２２】
次に、図１〜４は、ボール溝１４に窪み１６を形成した固定式等速ジョイントの外輪１０の例を示す。図５〜９は、ボール溝２４に窪み２６を形成した固定式等速ジョイントの内輪２０の例を示す。窪み１６，２６の位置は、ボール溝の長手方向において、低角度域（たとえば０〜１０度）でボール３０が占める位置とする。この窪みの位置にボール３０があるときは、ボール３０と外輪１０との間、ボール３０と内輪２０との間にはすきまが存在し、トルクを伝達することはできない。
【００２３】
１つの固定式等速ジョイントに使用するボールの数、したがってまた、外輪１０および内輪２０のボール溝１４，２４の数は任意であるが、５を下限とする。トルク伝達効率を良くするためには、作動角が低い場合には（トルク伝達に寄与する）ボールの数を少なく、高角度域では（トルク伝達に寄与する）ボールの数を減らさない、つまり多い方が有利、との観点に立つものであるが、ボール数が少ないと、トルク伝達に寄与するボールと寄与しないボールとの数の変化（バリエーション）をもたせることができない。また、１個や２個ではそもそも等速ジョイントとして成り立たせることが困難である。さらに、実験結果（解析実験も含む）より、４個ボールの場合は等速回転しない領域があることから、等速ジョイントとして成り立たないと判断した。したがって、等速ジョイントとして成り立つ最低ボール数を３と設定し、それ以上で、ある程度の数の変化をもたせることができるボール数は５が下限となる。
【００２４】
窪み１６，２６を設けないボール溝の数は３以上に設定する。言い換えるならば、低角度域でトルク伝達を行なうボール３０の数は３を下限とする。低角度域でトルク伝達をするボール３０が少ないほうが高効率であるが、上述のとおり、ボール数が１、２、４では等速ジョイントとして成り立たない。したがって、トルク伝達を行なうボール３０の最低数も３とする。たとえば、６トラックの固定式等速ジョイントの場合、従来のままのボール溝の数は３、４または５である。同様に、８トラックの固定式等速ジョイントの場合、従来のままのボール溝の数は４、５、６または７である。
【００２５】
低角度域でトルク伝達を行なうボール３０の間隔の上限を１２０度とする。等速ジョイントが作動するためには、外輪１０と内輪２０に対してケージ４０が二等分面上に配置されることが理想である。そのケージ４０を動かす力は、くさび形のトラックに挟まれたボール３０がケージ４０を押すことによって発生する。したがって、ボール３０の配置が偏りすぎた場合には、ケージ４０が作動しなくなり、不具合が生じる。ボール３０の数が３の場合には１２０度間隔、ボール３０の数が３よりも多い場合には１２０度より小さい間隔となる。
【００２６】
低角度域でボール３０が占める角度位置のボール溝１４，２４に窪み１６，２６が形成してある。前記低角度域は、具体的には、０〜１０度の範囲である。通常の自動車で等速ジョイントが使用される角度（常用角：自動車が直進する時に使用される角度）は概ねこの程度である。また、等速ジョイントは作動角が大きくなると、発熱や伝達効率の悪化、耐久性も低下する。自動車の旋回時には作動角が大きくなるが、短時間であるため不具合は発生しない。しかし、常用角を１０度以上とした場合には、上記の特性により、耐久性が大きく低下する。
【００２７】
窪みを設けるボール溝とは、外輪１０のボール溝１４もしくは内輪２０のボール溝２４またはそれらの両方１４，２４である。窪み１６，２６の具体的な形状は、窪みの作用のほか加工性等を勘案して種々考えられるが、少なくともボール溝の長さ方向に沿った断面形状はボール溝１４，２４の表面となだらかに連なった溝形状とするのが好ましい。図９（Ａ）は円弧溝の形態をした窪み２６の例、図９（Ｂ）は三角溝の形態をした窪み２６の例、図９（Ｃ）は矩形溝の形態をした窪み２６の例を示す。
【００２８】
窪み１６，２６は、鍛造を代表例とする塑性加工により、あるいは、塑性加工とその後の切削加工により、形成することができる。トルク伝達効率のよい等速ジョイントを製作するためには、外輪１０、内輪２０を精度よく加工する必要があり、とくにボール溝１４，２４は切削加工（研削または旋削）で仕上げる必要がある。ボール溝１４，２４をたとえば鍛造で成形することにより、全部切削加工による場合に比べて切削代を減らすことができる。また、ボール溝１４，２４を鍛造成形する過程で窪み１６，２６も同時に鍛造成形すれば低コストで加工できる。鍛造成形した窪み１６，２６を切削加工で仕上げることにより、窪み１６，２６の位置や幅、深さ等を調整して伝達効率の向上以外の特性をも調整することができる。
【００２９】
ボール溝１４，２４は円周方向に等間隔（等ピッチ）に配置するほか、不等ピッチとすることもできる。等速ジョイントをコンパクトにするための手段として、ボール３０の配置を不等ピッチとすることが知られている。一例として、８個ボール仕様で、低角度域でトルクを受ける最低ボール数を３とし、そのボール配置を１２０度等配とし、残りの５個のボールを不等ピッチで配置したものが挙げられる。高角度域での効率と低角度域での効率の向上を両立させるために不等ピッチとするプロポーションも可能である。
【００３０】
外輪１０のトラックオフセット量と内輪２０のトラックオフセット量を異ならせてもよい。たとえば、外輪１０のトラックオフセット量よりも内輪２０のトラックオフセット量を小さくする。あるいは、外輪１０のトラックオフセット量よりも内輪２０のトラックオフセット量を大きくする。等速ジョイントの外輪１０、内輪２０、ケージ４０といったパーツ間の球面嵌合部にはすきまが設定されている。等速ジョイントにトルクが入力されて作動する時には、球面部のすきまが詰まり、すきまを考慮していない理想的な配置に対してずれが生じる。低角度域では、球面すきまが詰まることにより外輪１０のオフセットは小さく、内輪２０のオフセットは大きくなる。高角度域では、逆に外輪１０のオフセットは大きく、内輪２０のオフセットは小さくなる。したがって、予めオフセット量（Ｆ：図１０、ｆ：図１１）を変更して理想状態に近づけることにより、必要な角度域での効率の悪化を防ぐことが可能となる。
【００３１】
既に述べたとおり、この発明は、固定式等速ジョイントの基本構成に関しては、図１０に示した従来の構成をベースに実施するほか、図１１に示した小径ボール・小トラックオフセットの構成をベースに実施することもでき、後者の場合には両者の相乗効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】（Ａ）は固定式等速ジョイントの外輪の縦断面図、（Ｂ）は端面図である。
【図２】図１の外輪の斜視図である。
【図３】図１の外輪の部分拡大図である。
【図４】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は図３における窪み部分の拡大図である。
【図５】固定式等速ジョイントの内輪の端面図である。
【図６】図５の内輪のＶＩ矢視図である。
【図７】図５の内輪の斜視図である。
【図８】図６の外輪の断面図である。
【図９】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は図８における窪み部分の拡大図である。
【図１０】（Ａ）はボール数が６の固定式等速ジョイントの縦断面図、（Ｂ）はボールまわりの拡大図である。
【図１１】（Ａ）はボール数が８の固定式等速ジョイントの縦断面図、（Ｂ）はボールまわりの拡大図である。
【図１２】（Ａ）は図１０（Ａ）の継手が作動角をとった状態の縦断面図、（Ｂ）は図１１（Ａ）の継手が作動角をとった状態の縦断面図である。
【図１３】低角度域でのボール数違いによる伝達効率の変化を示す線図である。
【図１４】高角度域でのボール数違いによる伝達効率の変化を示す線図である。
【図１５】位相角に対する荷重の関係を示す線図である。
【図１６】位相角の説明図であって、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は端面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  外輪（外側継手部材）
１２  内周面
１４  ボール溝
１６  窪み
２０ 内輪（内側継手部材）
２２ 外周面
２４ ボール溝
２６ 窪み
３０ ボール（トルク伝達要素）
４０ ケージ
４２ ポケット
４４ 外周面
４６ 内周面
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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