等速ジョイント
ゼッパ型CVジョイント

等速ジョイント（CVジョイント、ホモキネティックジョイントとも呼ばれる）は、2つの回転軸を機械的に接続し、回転速度を一定に保ちながら、回転中に軸同士が互いに一定の角度を保つ機構です。このジョイントは、摩擦やバックラッシュを著しく増加させることなく動作し、一定の角度範囲内で2つの軸間の角度を補正します。

CV ジョイントは、前輪駆動車でよく使用され、エンジンの動力を前輪に伝達します。

歴史

ユニバーサルジョイントのアニメーション

等速ジョイントの前身は、 16世紀にジェロラモ・カルダーノによって発明されたユニバーサルジョイント（カルダンジョイントとも呼ばれる）でした。ユニバーサルジョイントの欠点は、入力軸の回転速度が一定であるにもかかわらず、出力軸の回転速度が変動することです。この変動はシステムに不要な振動を引き起こし、2つの軸間の角度が大きくなるにつれて増大します。等速ジョイントには出力速度の変動がないため、この不要な振動は発生しません。また、ユニバーサルジョイントは製造が簡単で大きな力に耐えることができますが、作動角度が大きくなるにつれて、ジョイントに「ノッチ」が生じ、回転しにくくなることがよくあります。

最初の等速ジョイントは、 17世紀にロバート・フックによって発明されたダブルフック​​（ダブルカルダン）ジョイントでした。この設計では、2つのユニバーサルジョイントをシャフトで接続し、90度オフセットすることで、各ジョイントに固有の速度変動を打ち消します。

それ以来、他の多くのタイプの等速ジョイントが発明されてきました。

種類

ダブルカルダンジョイント

ダブルカルダンジョイント

ダブルカルダンジョイントは、中間シャフトの長さが短く、ヨークのみになっている点を除けば、2つのユニバーサルジョイントを使用するフックジョイントに似ています。これにより、2つのフックジョイントを背中合わせに取り付けることができます。ダブルカルダンジョイントは、中間シャフトの両端にあるユニバーサルジョイントの位相を正しく調整する必要がないため、主にステアリングコラムに使用されます。これにより、自動車のエンジンルーム内の他の部品と中間シャフトを囲むように配置することが容易になります。また、頑丈な四輪駆動車のドライブシャフトやハーフシャフトなど、高い関節角度や衝撃的なトルク負荷が一般的である用途において、Rzeppa型等速ジョイントの代替として使用されます。

ダブルカルダンジョイントを真に等速にするためには、従動軸と駆動軸の間の角度を等しく保つセンタリング要素が必要です。[ 1 ] [ 2 ]このセンタリング装置は、ジョイント内部を加速するために追加のトルクを必要とし、高速時には追加の振動が発生します。[ 3 ]

トラクタ関節

トラクタジョイント

Tractaジョイントは、ダブル・タン・アンド・グルーブ・ジョイントの原理に基づいて動作します。2つのフォーク（駆動側と従動側のヨーク）と、2つの半球状のスライド部品（オス型またはスピゴット・スイベルとメス型またはスロット・スイベル）のわずか4つの部品で構成され、これらはフローティング（可動）接続で連結されます。各ヨークジョーは、中間部材に形成された円形の溝に噛み合います。両方の中間部材は、スイベル・タン・アンド・グルーブ・ジョイントによって交互に連結されます。入力軸と出力軸が互いに一定の作動角で傾斜している場合、駆動中間部材は1回転ごとに加速および減速します。中央のタン・アンド・グルーブ・ジョイントはヨークジョーと4分の1回転位相がずれているため、駆動中間部材と出力ジョーの対応する速度変動は、入力半部材の速度変動を正確に打ち消し、相殺します。したがって、出力速度の変化は入力駆動の速度変化と一致し、等速回転を実現します。[ 4 ]

ゼッパジョイント

ゼッパジョイント
ゼッパジョイント（ 1ユーロ硬貨と比較）

ツェッパジョイント（ 1926年にアルフレッド・H・ツェッパによって発明）は、6つの溝を持つ球状の内殻と、それを包み込む同様の外殻で構成されています。各溝は1つのボールをガイドします。入力軸は、円形のケージ内に収まる大きな星型の鋼鉄製「ギア」の中心に収まります。ケージは球状ですが、両端が開いており、通常、周囲に6つの開口部があります。このケージとギアは、溝付きカップに収まり、カップにはスプラインとねじ山が刻まれたシャフトが取り付けられています。カップの溝には6つの大きな鋼鉄製ボールがあり、ケージの開口部に収まり、スターギアの溝に収まります。カップ上の出力軸はホイールベアリングを貫通し、車軸ナットで固定されます。

このジョイントは、ステアリングシステムによって前輪が回転する際の大きな角度変化に対応します。典型的なRzeppaジョイントは45°～48°の可動範囲を誇りますが、中には54°まで可動するものもあります。[ 5 ]ドライブシャフトの「アウトボード」端には、若干異なるユニットが使用されています。ドライブシャフトの端はスプライン加工されており、外側の「ジョイント」に嵌合します。通常はサークリップで固定されます。

バーフィールドジョイント

バーフィールドジョイントは、ツェッパジョイントをベースにした等速ジョイントの一種ですが、楕円形のトラックを用いて6つのボールの移動を制限しています。効率が向上し、現代の自動車ではアウトボードドライブシャフトジョイントとして広く使用されています。[ 6 ]バーフィールドジョイントはバーフィールドインダストリーズ社 によって開発され、ミニなどの前輪駆動車の開発とともに広く普及しました。[ 7 ]

三脚ジョイント

三脚ジョイント

三脚ジョイントは、自動車のドライブシャフトの内側の端で使用されます。このジョイントは、フランス、ポワシーの Glaenzer Spicer の Michel Orain 氏によって開発されました。このジョイントには、シャフトに取り付けられた 3 点ヨークがあり、その両端には樽型のローラー ベアリングがあります。これらは、差動装置に取り付けられた 3 つの対応する溝があるカップに収まります。1 つの軸にのみ大きな動きがあるため、この単純な構成で十分機能します。また、これによりシャフトの軸方向の「プランジ」動作が可能になり、エンジンの揺れなどによってベアリングが予圧されることはありません。一般的な三脚ジョイントは、最大 50 mm のプランジ移動と 26 度の角度関節を備えています。[ 8 ]三脚ジョイントは、他の多くのジョイント タイプほど角度範囲は広くありませんが、コストが低く、効率が高い傾向があります。このため、三脚ジョイントは、必要な動作範囲が狭い後輪駆動車両構成や前輪駆動車両の内側でよく使用されます。

ワイスジョイント

ワイスジョイント（米国特許1677311、Carl W Weiss、「ユニバーサルジョイント」 ）は、2つの同一のボールヨークで構成され、通常は4つのボールによって確実に位置決めされます。2つのジョイントは、中央に穴が開いたボールによって中心が決められます。円形のトラックに配置された2つのボールがトルクを伝達し、残りの2つのボールがジョイントに予圧をかけ、荷重方向が変化してもバックラッシュが発生しないようにします。

この構造は、ボールがカップリングの2つの半分の間にぴったりと収まっており、ケージが使用されていない点で、Rzeppa の構造と異なります。中央のボールは、外側のレースに挿入されたピン上で回転し、他の4つのボールを固定する媒体として機能します。両方のシャフトが一直線になっている場合、つまり 180 度の角度になっている場合、ボールはシャフトに対して 90 度の平面内にあります。駆動シャフトが元の位置に残っている場合、従動シャフトが移動すると、ボールは角度距離の半分だけ移動します。たとえば、従動シャフトが 20 度の角度で移動すると、2 つのシャフト間の角度は 160 度に減少します。ボールは同じ方向に 10 度移動し、駆動シャフトとボールがある平面との間の角度は 80 度に減少します。この動作により、ボールが駆動角度を二等分する平面内に位置するという要件が満たされます。このタイプの Weiss ジョイントは Bendix-Weiss ジョイントとして知られています。

ヴァイス原理に基づく最も先進的なプランジングジョイントは、クルト・エンケの6ボールスタージョイントです。このタイプは、3つのボールのみでトルクを伝達し、残りの3つのボールでトルクを集中・保持します。ボールにはプリロードが与えられており、ジョイントは完全にカプセル化されています。[ 9 ] [ 10 ]

トンプソンジョイント

トンプソンカップリングの図

トンプソンジョイント（トンプソンカップリングとも呼ばれる）は、2つのカルダンジョイントを互いに組み付けて中間シャフトを排除します。[ 11 ] 入力シャフトと出力シャフトの位置合わせを維持するために、制御ヨークが追加されています。制御ヨークは、球面パンタグラフのはさみ機構を使用して入力シャフトと出力シャフトの間の角度を二等分し、ジョイントを相対位相角ゼロに維持します。この位置合わせにより、すべてのジョイント角度で一定の角速度が確保されます。中間シャフトを排除し、入力シャフトを等速平面内に位置合わせしておくと、ダブルカルダンシャフトに固有の誘導せん断応力と振動が大幅に軽減されます。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]この幾何学的構成では、カルダンジョイントの位置合わせを行う制御ヨークの速度が一定に保たれませんが、制御ヨークの慣性は最小限で振動もほとんど発生しません。標準的なトンプソンカップリングを直線のゼロ度の角度で継続的に使用すると、ジョイントに過度の摩耗と損傷が発生します。制御ヨークの摩耗を減らすためには、入力軸と出力軸の間に最低2度のオフセットが必要です。[ 15 ]入力ヨークと出力ヨークをそれぞれの軸に対して正確に垂直にならないように変更すると、「許可されていない」角度を変更または排除できます。[ 16 ]

このカップリングの斬新な特徴は、例えば球面4バーシザーズリンク（球面パンタグラフ）を使用して、アセンブリ内の一対のカルダンジョイントを幾何学的に拘束する方法であり、この特性の組み合わせを備えた最初のカップリングです。[ 17 ]

車内での使用

初期の前輪駆動車（1930年代のシトロエン・トラクシオン・アバントなど）やオフロード四輪駆動車の前車軸には、CVジョイントではなくユニバーサルジョイントが使用されていました。CVジョイントを使用した最初の車には、1926年のトラクタ、1931年のDKW F1、1932年のアドラー・トルンプがあり、これらはすべて前輪駆動で、ライセンスに基づいてトラクタジョイント設計を使用していました。[ 18 ] [ 19 ] CVジョイントにより、より広い動作角度（コーナリングフォースや路面の凹凸によってサスペンションが圧縮された場合など）でスムーズな動力伝達が可能になりました。

独立した後部サスペンションを備えた現代の後輪駆動車では、通常、ハーフシャフトの端に CV ジョイントが使用され、テールシャフトにも使用されることが増えています。

CVブーツと潤滑

通常、CVジョイントには、異物から保護し、潤滑グリースの漏れを防ぐため、別個のフレキシブルカバーが取り付けられます。[ 20 ]このカバーは通常ゴム製で、「CVブーツ」または「CVゲーター」と呼ばれます。ブーツに亀裂や割れがあると、汚染物質が侵入し、ジョイントの摩耗が早まったり、完全に故障したりする可能性があります。ゴムが物理的または化学的に損傷を受けやすい過酷な動作環境では、内部に全金属製のユニバーサルジョイントまたはCVを配置し、ソリッドアクスル（ハウジング）、スイベルハブ、またはクローズドナックルで保護することが望ましい場合があります。ゴム製CVブーツを保護するために、金属製のアーマーやケブラースリーブ/カバーが使用される場合があります。

CVジョイントは通常、二硫化モリブデングリースで潤滑されます。6つの球体は落下防止ゲートで囲まれており、軸が完全に整列している状態でも球体が落下するのを防ぎます。

参照

ウィキメディア コモンズには、等速ジョイントに関連するメディアがあります。

参考文献

  1. ^米国特許 1979768、ピアース、ジョン WB、「ダブルユニバーサルジョイント」、1934年11月6日発行 
  2. ^ Rzeppa 等速ジョイント（CVジョイント）Archived 2009-02-05 at the Wayback Machine
  3. ^米国特許2947158、キング、ケネス・K.、「ユニバーサルジョイントセンタリング装置」、1960年8月2日発行、ゼネラルモーターズ社に譲渡。通常のセンタリング機構はボールとソケットの構造である…[ダブルカルダン]ジョイントに等速機能を提供するためには、各スパイダーとベアリングアセンブリ、および各ヨークの角度中心が、ジョイントの寿命中、ほぼ同じ位置に維持されることが不可欠である。 
  4. ^ユニバーサルジョイントとドライブシャフト：分析、設計、アプリケーション
  5. ^星野 学、舟橋 正志. 「NTN技報 No.75 (2007): 超高作動角54度固定式等速ジョイント (TUJ)」(PDF) . www.ntnglobal.com . 2019年7月30日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2021年4月11日閲覧。( 「自動車環境技術」(PDF)にも掲載されています。NTN。2007年。 2021年4月11日閲覧。)）
  6. ^ 「Rzeppa原理に基づく625 Birfieldジョイント - 車両技術」。
  7. ^マルコム・ジェームズ・ナニー（2007年）『軽・大型車両技術』ラウトレッジ、ISBN 978-0-7506-8037-0。
  8. ^ GKN Driveline Driveshafts Archived 2012-07-23 at the Wayback Machine、 gkndriveline.com Archived 2019-07-03 at the Wayback Machine。
  9. ^ベンディックス・ワイス等速ジョイント（CVジョイント） 2010年3月23日アーカイブat the Wayback Machine
  10. ^ユニバーサルジョイントとドライブシャフト：分析、設計、アプリケーション
  11. ^米国特許US20040106458A1、グレン・トンプソン、「CONSTANT VELOCITY COUPLING AND CONTROL SYSTEM THEREFO」、2004年6月3日公開、2006年12月5日発行 
  12. ^ Sopanen, Jussi (1996). 「ダブルカルダンジョイントドライブラインのねじり振動に関する研究」(PDF) . 2009年2月5日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2008年1月22日閲覧。
  13. ^ Sheu, P (2003-02-01). 「2つのユニバーサルジョイント間の中間シャフトのモデリングと解析」. 2008年1月22日閲覧。
  14. ^ 「トンプソンカップリングジョイント機構の動作」 . トンプソンカップリング. 2011年9月24日閲覧。
  15. ^ 「Extra Length 500Nm TCVJ」。Thompson Couplings, Ltd.。2011年10月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年9月25日閲覧。特記事項：TCVJカップリングを0度で連続運転することは推奨されません。ベアリングの過度な摩耗やカップリングの損傷につながる可能性があります。TCVJカップリングの効率と寿命を最大限に高めるには、最小動作角度2.0度を推奨します。
  16. ^ pattakon.com. 「PatDanとPatCVJの等速ジョイント」 . 2012年7月26日閲覧。
  17. ^ Bowman, Rebecca (2006年8月3日). 「燃料費を削減する発明」 yourguide.com.au . 2007年2月13日閲覧。
  18. ^ Rzeppa, Alfred H. (1927). 「ユニバーサルジョイント」 .アメリカ合衆国特許第1,665,280号.
  19. ^ 「欧州特許FR628309」。
  20. ^ 「CVジョイント：仕組み、症状、問題点」 www.samarins.com . 2023年2月14日閲覧。
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