ボール型等速ジョイントの保持器の応力解析装置
【課題】構造解析と機構解析との連成解析を適用して、より高精度な解析結果を得ることができるボール型等速ジョイントの保持器の応力解析装置を提供する。
【解決手段】保持器１４０を六面体要素に分割して有限要素法により行う構造解析と、ボール型等速ジョイント１００の構成部品および当該構成部品に連結される部品により構成される解析モデルによる機構解析と、の連成解析を適用する。保持器１４０の柱部１４４の外周面側における周方向の六面体要素の数は、柱部１４４の内周面側における周方向の六面体要素の数より多くなるように設定されている。
【解決手段】保持器１４０を六面体要素に分割して有限要素法により行う構造解析と、ボール型等速ジョイント１００の構成部品および当該構成部品に連結される部品により構成される解析モデルによる機構解析と、の連成解析を適用する。保持器１４０の柱部１４４の外周面側における周方向の六面体要素の数は、柱部１４４の内周面側における周方向の六面体要素の数より多くなるように設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボール型等速ジョイントの保持器の応力解析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ボール型等速ジョイントの構成部品において、保持器が最も耐久性の低い部品であることが多い。そのため、保持器の耐久性評価は非常に重要である。保持器の耐久性評価に際してより高精度な数値解析を行うことが望まれている。なお、ボール型等速ジョイントではないが、転がり軸受の保持器の応力解析について、特開２００８−１１６０４０号公報（特許文献１）に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１１６０４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、高精度に数値解析を行う方法として、直接積分を用いた有限要素法による構造解析と運動学と動力学演算による機構解析との連成解析を行うことができるソフトウエアが開発されている。そして、このような連成解析をボール型等速ジョイントの保持器に適用する場合に、高精度な解析結果を得ることができる手法について検討されている。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、構造解析と機構解析との連成解析を適用して、より高精度な解析結果を得ることができるボール型等速ジョイントの保持器の応力解析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（請求項１）本発明に係るボール型等速ジョイントの保持器の応力解析装置は、内周面に外輪ボール溝が形成された外輪と、外周面に内輪ボール溝が形成された内輪と、前記外輪ボール溝および前記内輪ボール溝を転動可能に配置され前記外輪と前記内輪との間でトルク伝達を行うボールと、前記外輪と前記内輪との間に配置され前記ボールを保持する窓部が形成された保持器と、を備えるボール型等速ジョイントにおける前記保持器の応力解析を行う装置であって、前記保持器を六面体要素に分割して有限要素法により行う構造解析と、前記ボール型等速ジョイントの構成部品および当該構成部品に連結される部品により構成される解析モデルによる機構解析と、の連成解析を適用し、前記保持器は、周方向に隣り合う前記窓部を区画する柱部を備え、前記柱部の外周面側における周方向の前記六面体要素の数は、前記柱部の内周面側における周方向の前記六面体要素の数より多くなるように設定されている。
【０００７】
（請求項２）また、前記保持器は、前記柱部と、前記窓部における前記保持器の軸方向部分を区画する軸方向縁部とを備え、前記軸方向縁部の外周面側における周方向の前記六面体要素の数は、前記軸方向縁部の内周面側における周方向の前記六面体要素の数と同一となるように設定されるようにしてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
（請求項１）保持器の柱部の外周面側の周方向幅は、内周面側の周方向幅よりも大きい。ここで、保持器の窓部は、例えば打抜きプレス加工やエンドミルによる切削加工により形成されることが一般的である。このようにして窓部を形成されることによって、柱部の外周面側の周方向幅と内周面側の周方向幅との差は、大きくなる。
【０００９】
そして、本発明によれば、連成解析のうち有限要素法を六面体要素に分割して行っている。ここで、高精度な構造解析を行うために、六面体要素のアスペクト比を１に近づけることが望まれる。つまり、理想的な六面体要素は立方体となる。本発明によれば、柱部の外周面側における周方向の要素数を内周面側における周方向の要素数より多くなるように分割されている。そのため、柱部の外周面側の周方向幅が内周面側の周方向幅より大きいとしても、柱部の各要素のアスペクト比がそれほど大きくならないようにできる。つまり、高精度な柱部の連成解析が可能となる。
【００１０】
また、保持器の柱部の外周面側は、外輪の開口側の内周縁に接触することにより、押し付け荷重を受ける。従って、柱部の外周面側を高精度に解析することは非常に重要である。本発明のように柱部の外周面側における周方向の要素数を多くすることによって、外輪との接触に起因する応力分布を高精度に解析ができる。つまり、柱部の各要素のアスペクト比を１に近づけることと、柱部の外周面側における周方向の要素数を多くすることによって、柱部の高精度な連成解析が可能となる。
【００１１】
（請求項２）保持器の軸方向縁部については、外周面側の周方向長さが内周面側の周方向長さに比べて長い。しかしながら、軸方向縁部における外周面側の周方向長さと内周面側の周方向長さの差の率は、柱部における外周面側の周方向幅と内周面側の周方向幅の差の率に比べると小さい。そこで、軸方向縁部については、外周面側の周方向の要素数と内周面側の周方向の要素数とを同一にすることで、十分に高精度な連成解析を行うことができると共に、要素の設定が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態における連成解析モデルとしてのドライブシャフトを示す軸方向断面図である。
【図２】応力解析対象である保持器を径方向外側から見た図である。
【図３】保持器を軸方向から見た図である。図２の下面図に相当する。さらに、打抜きプレスに用いる打抜型を合わせて図示する。
【図４】図２に示す保持器を六面体一次要素にメッシュ分割した拡大図であり、保持器の輪郭線を太線にて示し、分割した要素線を細線にて示す。
【図５】図４のＡ−Ａ断面図を示し、図４と同様に、保持器の輪郭線を太線にて示し、分割した要素線を細線にて示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明のボール型等速ジョイントの保持器の応力解析装置を具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
（連成解析モデル）
本実施形態の連成解析モデルについて、図１を参照して説明する。図１に示すように、連成解析モデルは、自動車のドライブシャフトを例に挙げる。そして、応力解析の対象は、ボール型等速ジョイント１００を構成する保持器１４０である。また、保持器１４０について、有限要素法による構造解析とマルチボディダイナミクスによる動力学（多体動力学）演算となる機構解析との連成解析を行う。特に、構造解析は、直接積分法を用いて行う。
【００１５】
連成解析モデルは、図１に示すように、シャフト１０と、シャフト１０の一端に連結されるボール型等速ジョイント１００と、シャフト１０の他端に連結される摺動式トリポード型等速ジョイント２００とを備える。ボール型等速ジョイント１００は、固定式ボール型等速ジョイント（「ツェッパ型等速ジョイント」とも称する）である。ボール型等速ジョイント１００は、外輪１１０と、内輪１２０と、複数のボール１３０と、保持器１４０とを備えて構成される。
【００１６】
外輪１１０は、一方に開口部を有するカップ状（有底筒状）に形成されている。この外輪１１０のカップ底部の外方には、連結軸１１１が外輪軸方向に延びるように一体成形されている。さらに、外輪１１０の内周面１１２は、球面凹状に形成されている。さらに、外輪１１０の内周面１１２には、外輪軸直交方向断面をほぼ円弧凹状に形成している複数の外輪ボール溝１１３が、ほぼ外輪軸方向に延びるように形成されている。これら複数の外輪ボール溝１１３は、径方向断面において、周方向に等間隔に形成されている。ここで、外輪軸方向とは、外輪１１０の中心軸を通る方向、すなわち、外輪１１０の回転軸方向を意味する。
【００１７】
内輪１２０は、環状に形成されており、外輪１１０のカップ内側に配置されている。この内輪１２０の外周面１２１は、球面凸状に形成されている。さらに、内輪１２０の外周面１２１には、内輪軸直交方向断面がほぼ円弧凹状からなる複数の内輪ボール溝１２２が、ほぼ内輪軸方向に延びるように形成されている。これら複数の内輪ボール溝１２２は、径方向断面において、周方向に等間隔に、且つ、外輪１１０に形成される外輪ボール溝１１３と同数形成されている。つまり、それぞれの内輪ボール溝１２２が、外輪１１０のそれぞれの外輪ボール溝１１３に対向するように位置する。
【００１８】
複数のボール１３０は、それぞれ、外輪１１０の外輪ボール溝１１３と、当該外輪ボール溝１１３に対向する内輪１２０の内輪ボール溝１２２には挟まれるように配置されている。そして、それぞれのボール１３０は、それぞれの外輪ボール溝１１３およびそれぞれの内輪ボール溝１２２に対して、転動自在で周方向に係合している。従って、ボール１３０は、外輪１１０と内輪１２０との間でトルクを伝達する。
【００１９】
保持器１４０は、環状に形成されている。この保持器１４０の外周面１４１は、外輪１１０の内周面１１２にほぼ対応する部分球面状、すなわち球面凸状に形成されている。一方、保持器１４０の内周面１４２は、内輪１２０の外周面１２１にほぼ対応する部分球面状、すなわち球面凹状に形成されている。この保持器１４０は、外輪１１０の内周面１１２と内輪１２０の外周面１２１との間に配置されている。さらに、保持器１４０は、周方向に等間隔に、略矩形の貫通孔である窓部１４３を複数形成している。そして、それぞれの窓部１４３に、ボール１３０が１つずつ収容され、保持されている。
【００２０】
摺動式トリポード型等速ジョイント２００は、公知の摺動式トリポード型等速ジョイントである。この摺動式トリポード型等速ジョイントは、外輪２１０と、トリポード２２０と、三個のローラ２３０とを備えて構成される。
【００２１】
そして、シャフト１０は弾性体とする。つまり、シャフト１０は、連成解析において、弾性変形、例えば曲げ変形が許容されることになる。ここで、シャフト１０は、演算処理の簡易化のため、分割した弾性体梁要素として把握する。さらに、シャフト１０は、その質量を有するものとする。つまり、連成解析において、シャフト１０の自重が考慮される。
【００２２】
また、シャフト１０の他端は、摺動式トリポード型等速ジョイント２００のトリポード２２０に連結されている。従って、シャフト１０の他端は、摺動式トリポード型等速ジョイント２００の外輪２１０に対して、当該外輪２１０の軸方向に摺動可能となる。ここで、拘束条件として、ボール型等速ジョイント１００の外輪１１０の回転中心軸、当該外輪１１０の回転中心軸に対する位置、摺動式トリポード型等速ジョイント２００の外輪２１０の回転中心軸、および、当該外輪２１０の回転中心軸に対する位置が固定されているものとする。
【００２３】
（保持器の詳細構成）
次に、応力解析対象である保持器１４０の構成について、図２および図３を参照して詳細に説明する。保持器１４０は、図２および図３に示すように、周方向に複数の窓部１４３を形成している。つまり、保持器１４０は、周方向に隣り合う窓部１４３を区画する複数の柱部１４４と、窓部１４３における軸方向部分を区画する軸方向縁部１４５，１４６とを備える。換言すると、窓部１４３は、２本の柱部１４４と、軸方向縁部１４５，１４６とにより囲まれて形成されている。なお、保持器１４０は、複数の柱部１４４、複数の軸方向縁部１４５、および、複数の軸方向縁部１４６により形成されている。
【００２４】
窓部１４３は、打抜きプレス加工によって形成される。具体的には、図３に示すように、保持器１４０の径方向外側から径方向内側に向かって打抜型３００を移動させることにより、１つの窓部１４３が形成される。このようにして、他の窓部１４３についても同様に形成する。この他に、エンドミルの周面による切削加工により、窓部１４３を形成することもできる。この場合の窓部１４３は、実質的に、打抜きプレス加工による窓部１４３と同様の形状に形成される。
【００２５】
従って、窓部１４３の周縁形状は、打抜型３００の移動方向に平行な形状に形成されている。つまり、柱部１４４の側面と、周方向に隣りの柱部１４４の対向側面とは、平行に形成されている。また、軸方向縁部１４５，１４６の軸方向対向面も平行に形成されている。そのため、柱部１４４の外周面側の周方向幅は、その内周面側の周方向幅に比べて大幅に大きい。
【００２６】
ここで、保持器１４０の外周面１４１および内周面１４２は、球面状に形成されている。そのため、保持器１４０の軸方向縁部１４５，１４６における外周面側の周方向長さは、その内周面側の周方向長さより長い。しかし、窓部１４３は上記のように形成されるため、軸方向縁部１４５，１４６における外周面側の周方向長さと内周面側の周方向長さの差の率（ΔＬ／Ｌａ）は、柱部１４４における外周面側の周方向幅と内周面側の周方向幅の差の率（ΔＨ／Ｈａ）に比べると小さい。ここで、ΔＬは、軸方向縁部１４５，１４６の外内周の周方向長さの差であり、Ｌａは、軸方向縁部１４５，１４６の外周面側の周方向長さである。ΔＨは、柱部１４４の外内周の周方向幅の差であり、Ｈａは、柱部１４４の外周面側の周方向幅である。
【００２７】
（ボール型等速ジョイントの動作）
次に、ボール型等速ジョイント１００の動作について、再び図１を参照して説明する。ジョイント角を付与した状態において、ボール１３０が外輪ボール溝１１３および内輪ボール溝１２２に係合することにより、外輪１１０と内輪１２０との間でトルクが伝達される。このとき、ボール１３０と外輪ボール溝１１３および内輪ボール溝１２２との接触によって、ボール１３０は外輪１１０の開口部側に向かって移動する方向への荷重が作用する。しかし、保持器１４０がボール１３０を保持しており、保持器１４０が外輪１１０の開口部側の内周縁に接触することで、ボール１３０は外輪ボール溝１１３と内輪ボール溝１２２に係合した状態を維持する。
【００２８】
このように、保持器１４０の外周面１４１が外輪１１０の開口部側の内周縁に接触する。特に、保持器１４０の柱部１４４の外周面側が、外輪１１０の開口部側の内周縁に接触する。従って、保持器１４０の柱部１４４の外周面側は、外輪１１０から荷重を受ける。
【００２９】
（保持器１４０の分割メッシュ）
次に、保持器１４０について有限要素法による構造解析を行うために、保持器１４０を多数の要素に分割する。この分割メッシュについて、図４および図５を参照して説明する。図４および図５に示すように、本連成解析においては、分割する保持器１４０の要素は、六面体一次要素とする。つまり、一つの六面体一次要素は、境界面が６面であり、境界線分が１２本であり、節点数が８点（各角点）となる。ただし、分割する保持器１４０の要素を六面体二次要素としてもよい。一つの六面体二次要素は、境界面が６面であり、境界線分が１２本であり、節点数が２０点となる。
【００３０】
さらに、図５に示すように、保持器１４０の内周面から外周面に至る方向において、節点数が４点以上となるようにしている。ここでは、保持器１４０の内周面から外周面に至る方向において、五段の六面体一次要素を有するように分割メッシュを生成している。つまり、節点数が６点となる。
【００３１】
また、柱部１４４の外周面側における周方向の六面体一次要素の数は、７個とし、柱部１４４の内周面側における周方向の六面体一次要素の数は、３個となるように設定している。つまり、柱部１４４の外周面側における周方向の要素数が、内周面側における周方向の要素数より多くなるように設定されている。そして、柱部１４４において、内周面側から外周面側に行くに従って、周方向の要素数が多くなるようにしている。一方、軸方向縁部１４５，１４６の外周面における周方向の要素数は、軸方向縁部１４５，１４６の内周面側における周方向の要素数と同一となるように設定されている。
【００３２】
ところで、高精度な構造解析を行うために、六面体一次要素のアスペクト比を１に近づけることが望まれる。つまり、理想的な六面体一次要素は立方体となる。柱部１４４および軸方向縁部１４５，１４６は、上記にようにメッシュ分割することにより、アスペクト比を可能な限り１に近づけることができている。このことについて、詳細に説明する。
【００３３】
柱部１４４における外周面側の周方向幅は、内周面側の周方向幅に比べて大きい。特に、幅に対する差が大きい。そこで、柱部１４４においては、外周面側における周方向の要素数を内周面側における周方向の要素数より多くなるようにメッシュ分割している。そのため、柱部１４４の外周面側の周方向幅が内周面側の周方向幅より大きいとしても、柱部１４４の各要素のアスペクト比がそれほど大きくならないようにできる。つまり、高精度な柱部１４４の連成解析が可能となる。
【００３４】
また、上述したように、柱部１４４の外周面側は、外輪１１０の開口部側の内周縁に接触することにより、押し付け荷重を受ける。従って、柱部１４４の外周面側を高精度に解析することは非常に重要である。そして、柱部１４４の外周面側における周方向の要素数を多くすることによって、外輪１１０との接触に起因する応力分布を高精度に解析ができる。つまり、柱部１４４の各要素のアスペクト比を１に近づけることと、柱部１４４の外周面側における周方向の要素数を多くすることによって、柱部１４４の高精度な連成解析が可能となる。
【００３５】
また、保持器１４０の外内周面は、球面状であるため、軸方向縁部１４５，１４６の外周面側の周方向長さは、内周面側の周方向長さに比べて長い。ただし、軸方向縁部１４５，１４６の外内周面における周方向の要素数は、同一となるように設定されている。つまり、軸方向縁部１４５，１４６の要素形状は、内周面側から外周面側に行くに従って僅かながら大きくなっている。
【００３６】
ここで、軸方向縁部１４５，１４６における外内周面側の周方向長さの差の率（ΔＬ／Ｌａ）は、柱部１４４における外内周面側の周方向幅の差の率（ΔＨ／Ｈａ）に比べると小さい。そこで、軸方向縁部１４５，１４６については、外内周面側の周方向の要素数を同一にしたとしても、十分に高精度な連成解析を行うことができる。特に、要素数を同一にすることで、要素の設定が容易となる。このように、柱部１４４および軸方向縁部１４５，１４６を、それぞれに応じた要素にメッシュ分割することで、高精度に保持器１４０の応力解析を行うことができる。
【００３７】
また、保持器１４０の内周面から外周面に至る方向において六面体一次要素の境界線分上における節点数を４点以上としている。これにより、保持器１４０に対して径方向力が作用した場合に、変形後の保持器１４０の窓部１４３の輪郭形状が湾曲した形状に近似することができるようになり、且つ、当該輪郭形状が鋭角になることを抑制できる。その結果、高精度な解析結果を得ることができる。
【００３８】
ここで、ボール型等速ジョイント１００には、二次偶力が作用し、シャフト１０は曲げ変形することが知られている。そこで、本実施形態における連成解析モデルとして、シャフト１０を弾性体とすることで、二次偶力によりシャフト１０を曲げようとする力が発生した場合に、シャフト１０が曲げ変形することが許容される。従って、連成解析において保持器１４０に生じる応力は、実際の保持器１４０に生じる応力に非常に近い状態とすることができる。
【００３９】
さらに、シャフト１０の自重による曲げ変形を考慮すること、および、シャフト１０の他端に軸方向に摺動可能な摺動式トリポード型等速ジョイント２００を連結した状態で連成解析を行うことで、連成解析におけるシャフト１０の曲げ変形が実際の状態に近い状態とすることができる。その結果、高精度に保持器１４０の応力解析を行うことができる。
【符号の説明】
【００４０】
１００：ボール型等速ジョイント、 １１０：外輪、 １１２：外輪の内周面、 １１３：外輪ボール溝、 １２０：内輪、 １２１：内輪の外周面、 １２２：内輪ボール溝、 １３０：ボール、 １４０：保持器、 １４３：窓部、 １４４：柱部、 １４５，１４６：軸方向縁部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボール型等速ジョイントの保持器の応力解析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ボール型等速ジョイントの構成部品において、保持器が最も耐久性の低い部品であることが多い。そのため、保持器の耐久性評価は非常に重要である。保持器の耐久性評価に際してより高精度な数値解析を行うことが望まれている。なお、ボール型等速ジョイントではないが、転がり軸受の保持器の応力解析について、特開２００８−１１６０４０号公報（特許文献１）に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１１６０４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、高精度に数値解析を行う方法として、直接積分を用いた有限要素法による構造解析と運動学と動力学演算による機構解析との連成解析を行うことができるソフトウエアが開発されている。そして、このような連成解析をボール型等速ジョイントの保持器に適用する場合に、高精度な解析結果を得ることができる手法について検討されている。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、構造解析と機構解析との連成解析を適用して、より高精度な解析結果を得ることができるボール型等速ジョイントの保持器の応力解析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（請求項１）本発明に係るボール型等速ジョイントの保持器の応力解析装置は、内周面に外輪ボール溝が形成された外輪と、外周面に内輪ボール溝が形成された内輪と、前記外輪ボール溝および前記内輪ボール溝を転動可能に配置され前記外輪と前記内輪との間でトルク伝達を行うボールと、前記外輪と前記内輪との間に配置され前記ボールを保持する窓部が形成された保持器と、を備えるボール型等速ジョイントにおける前記保持器の応力解析を行う装置であって、前記保持器を六面体要素に分割して有限要素法により行う構造解析と、前記ボール型等速ジョイントの構成部品および当該構成部品に連結される部品により構成される解析モデルによる機構解析と、の連成解析を適用し、前記保持器は、周方向に隣り合う前記窓部を区画する柱部を備え、前記柱部の外周面側における周方向の前記六面体要素の数は、前記柱部の内周面側における周方向の前記六面体要素の数より多くなるように設定されている。
【０００７】
（請求項２）また、前記保持器は、前記柱部と、前記窓部における前記保持器の軸方向部分を区画する軸方向縁部とを備え、前記軸方向縁部の外周面側における周方向の前記六面体要素の数は、前記軸方向縁部の内周面側における周方向の前記六面体要素の数と同一となるように設定されるようにしてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
（請求項１）保持器の柱部の外周面側の周方向幅は、内周面側の周方向幅よりも大きい。ここで、保持器の窓部は、例えば打抜きプレス加工やエンドミルによる切削加工により形成されることが一般的である。このようにして窓部を形成されることによって、柱部の外周面側の周方向幅と内周面側の周方向幅との差は、大きくなる。
【０００９】
そして、本発明によれば、連成解析のうち有限要素法を六面体要素に分割して行っている。ここで、高精度な構造解析を行うために、六面体要素のアスペクト比を１に近づけることが望まれる。つまり、理想的な六面体要素は立方体となる。本発明によれば、柱部の外周面側における周方向の要素数を内周面側における周方向の要素数より多くなるように分割されている。そのため、柱部の外周面側の周方向幅が内周面側の周方向幅より大きいとしても、柱部の各要素のアスペクト比がそれほど大きくならないようにできる。つまり、高精度な柱部の連成解析が可能となる。
【００１０】
また、保持器の柱部の外周面側は、外輪の開口側の内周縁に接触することにより、押し付け荷重を受ける。従って、柱部の外周面側を高精度に解析することは非常に重要である。本発明のように柱部の外周面側における周方向の要素数を多くすることによって、外輪との接触に起因する応力分布を高精度に解析ができる。つまり、柱部の各要素のアスペクト比を１に近づけることと、柱部の外周面側における周方向の要素数を多くすることによって、柱部の高精度な連成解析が可能となる。
【００１１】
（請求項２）保持器の軸方向縁部については、外周面側の周方向長さが内周面側の周方向長さに比べて長い。しかしながら、軸方向縁部における外周面側の周方向長さと内周面側の周方向長さの差の率は、柱部における外周面側の周方向幅と内周面側の周方向幅の差の率に比べると小さい。そこで、軸方向縁部については、外周面側の周方向の要素数と内周面側の周方向の要素数とを同一にすることで、十分に高精度な連成解析を行うことができると共に、要素の設定が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態における連成解析モデルとしてのドライブシャフトを示す軸方向断面図である。
【図２】応力解析対象である保持器を径方向外側から見た図である。
【図３】保持器を軸方向から見た図である。図２の下面図に相当する。さらに、打抜きプレスに用いる打抜型を合わせて図示する。
【図４】図２に示す保持器を六面体一次要素にメッシュ分割した拡大図であり、保持器の輪郭線を太線にて示し、分割した要素線を細線にて示す。
【図５】図４のＡ−Ａ断面図を示し、図４と同様に、保持器の輪郭線を太線にて示し、分割した要素線を細線にて示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明のボール型等速ジョイントの保持器の応力解析装置を具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
（連成解析モデル）
本実施形態の連成解析モデルについて、図１を参照して説明する。図１に示すように、連成解析モデルは、自動車のドライブシャフトを例に挙げる。そして、応力解析の対象は、ボール型等速ジョイント１００を構成する保持器１４０である。また、保持器１４０について、有限要素法による構造解析とマルチボディダイナミクスによる動力学（多体動力学）演算となる機構解析との連成解析を行う。特に、構造解析は、直接積分法を用いて行う。
【００１５】
連成解析モデルは、図１に示すように、シャフト１０と、シャフト１０の一端に連結されるボール型等速ジョイント１００と、シャフト１０の他端に連結される摺動式トリポード型等速ジョイント２００とを備える。ボール型等速ジョイント１００は、固定式ボール型等速ジョイント（「ツェッパ型等速ジョイント」とも称する）である。ボール型等速ジョイント１００は、外輪１１０と、内輪１２０と、複数のボール１３０と、保持器１４０とを備えて構成される。
【００１６】
外輪１１０は、一方に開口部を有するカップ状（有底筒状）に形成されている。この外輪１１０のカップ底部の外方には、連結軸１１１が外輪軸方向に延びるように一体成形されている。さらに、外輪１１０の内周面１１２は、球面凹状に形成されている。さらに、外輪１１０の内周面１１２には、外輪軸直交方向断面をほぼ円弧凹状に形成している複数の外輪ボール溝１１３が、ほぼ外輪軸方向に延びるように形成されている。これら複数の外輪ボール溝１１３は、径方向断面において、周方向に等間隔に形成されている。ここで、外輪軸方向とは、外輪１１０の中心軸を通る方向、すなわち、外輪１１０の回転軸方向を意味する。
【００１７】
内輪１２０は、環状に形成されており、外輪１１０のカップ内側に配置されている。この内輪１２０の外周面１２１は、球面凸状に形成されている。さらに、内輪１２０の外周面１２１には、内輪軸直交方向断面がほぼ円弧凹状からなる複数の内輪ボール溝１２２が、ほぼ内輪軸方向に延びるように形成されている。これら複数の内輪ボール溝１２２は、径方向断面において、周方向に等間隔に、且つ、外輪１１０に形成される外輪ボール溝１１３と同数形成されている。つまり、それぞれの内輪ボール溝１２２が、外輪１１０のそれぞれの外輪ボール溝１１３に対向するように位置する。
【００１８】
複数のボール１３０は、それぞれ、外輪１１０の外輪ボール溝１１３と、当該外輪ボール溝１１３に対向する内輪１２０の内輪ボール溝１２２には挟まれるように配置されている。そして、それぞれのボール１３０は、それぞれの外輪ボール溝１１３およびそれぞれの内輪ボール溝１２２に対して、転動自在で周方向に係合している。従って、ボール１３０は、外輪１１０と内輪１２０との間でトルクを伝達する。
【００１９】
保持器１４０は、環状に形成されている。この保持器１４０の外周面１４１は、外輪１１０の内周面１１２にほぼ対応する部分球面状、すなわち球面凸状に形成されている。一方、保持器１４０の内周面１４２は、内輪１２０の外周面１２１にほぼ対応する部分球面状、すなわち球面凹状に形成されている。この保持器１４０は、外輪１１０の内周面１１２と内輪１２０の外周面１２１との間に配置されている。さらに、保持器１４０は、周方向に等間隔に、略矩形の貫通孔である窓部１４３を複数形成している。そして、それぞれの窓部１４３に、ボール１３０が１つずつ収容され、保持されている。
【００２０】
摺動式トリポード型等速ジョイント２００は、公知の摺動式トリポード型等速ジョイントである。この摺動式トリポード型等速ジョイントは、外輪２１０と、トリポード２２０と、三個のローラ２３０とを備えて構成される。
【００２１】
そして、シャフト１０は弾性体とする。つまり、シャフト１０は、連成解析において、弾性変形、例えば曲げ変形が許容されることになる。ここで、シャフト１０は、演算処理の簡易化のため、分割した弾性体梁要素として把握する。さらに、シャフト１０は、その質量を有するものとする。つまり、連成解析において、シャフト１０の自重が考慮される。
【００２２】
また、シャフト１０の他端は、摺動式トリポード型等速ジョイント２００のトリポード２２０に連結されている。従って、シャフト１０の他端は、摺動式トリポード型等速ジョイント２００の外輪２１０に対して、当該外輪２１０の軸方向に摺動可能となる。ここで、拘束条件として、ボール型等速ジョイント１００の外輪１１０の回転中心軸、当該外輪１１０の回転中心軸に対する位置、摺動式トリポード型等速ジョイント２００の外輪２１０の回転中心軸、および、当該外輪２１０の回転中心軸に対する位置が固定されているものとする。
【００２３】
（保持器の詳細構成）
次に、応力解析対象である保持器１４０の構成について、図２および図３を参照して詳細に説明する。保持器１４０は、図２および図３に示すように、周方向に複数の窓部１４３を形成している。つまり、保持器１４０は、周方向に隣り合う窓部１４３を区画する複数の柱部１４４と、窓部１４３における軸方向部分を区画する軸方向縁部１４５，１４６とを備える。換言すると、窓部１４３は、２本の柱部１４４と、軸方向縁部１４５，１４６とにより囲まれて形成されている。なお、保持器１４０は、複数の柱部１４４、複数の軸方向縁部１４５、および、複数の軸方向縁部１４６により形成されている。
【００２４】
窓部１４３は、打抜きプレス加工によって形成される。具体的には、図３に示すように、保持器１４０の径方向外側から径方向内側に向かって打抜型３００を移動させることにより、１つの窓部１４３が形成される。このようにして、他の窓部１４３についても同様に形成する。この他に、エンドミルの周面による切削加工により、窓部１４３を形成することもできる。この場合の窓部１４３は、実質的に、打抜きプレス加工による窓部１４３と同様の形状に形成される。
【００２５】
従って、窓部１４３の周縁形状は、打抜型３００の移動方向に平行な形状に形成されている。つまり、柱部１４４の側面と、周方向に隣りの柱部１４４の対向側面とは、平行に形成されている。また、軸方向縁部１４５，１４６の軸方向対向面も平行に形成されている。そのため、柱部１４４の外周面側の周方向幅は、その内周面側の周方向幅に比べて大幅に大きい。
【００２６】
ここで、保持器１４０の外周面１４１および内周面１４２は、球面状に形成されている。そのため、保持器１４０の軸方向縁部１４５，１４６における外周面側の周方向長さは、その内周面側の周方向長さより長い。しかし、窓部１４３は上記のように形成されるため、軸方向縁部１４５，１４６における外周面側の周方向長さと内周面側の周方向長さの差の率（ΔＬ／Ｌａ）は、柱部１４４における外周面側の周方向幅と内周面側の周方向幅の差の率（ΔＨ／Ｈａ）に比べると小さい。ここで、ΔＬは、軸方向縁部１４５，１４６の外内周の周方向長さの差であり、Ｌａは、軸方向縁部１４５，１４６の外周面側の周方向長さである。ΔＨは、柱部１４４の外内周の周方向幅の差であり、Ｈａは、柱部１４４の外周面側の周方向幅である。
【００２７】
（ボール型等速ジョイントの動作）
次に、ボール型等速ジョイント１００の動作について、再び図１を参照して説明する。ジョイント角を付与した状態において、ボール１３０が外輪ボール溝１１３および内輪ボール溝１２２に係合することにより、外輪１１０と内輪１２０との間でトルクが伝達される。このとき、ボール１３０と外輪ボール溝１１３および内輪ボール溝１２２との接触によって、ボール１３０は外輪１１０の開口部側に向かって移動する方向への荷重が作用する。しかし、保持器１４０がボール１３０を保持しており、保持器１４０が外輪１１０の開口部側の内周縁に接触することで、ボール１３０は外輪ボール溝１１３と内輪ボール溝１２２に係合した状態を維持する。
【００２８】
このように、保持器１４０の外周面１４１が外輪１１０の開口部側の内周縁に接触する。特に、保持器１４０の柱部１４４の外周面側が、外輪１１０の開口部側の内周縁に接触する。従って、保持器１４０の柱部１４４の外周面側は、外輪１１０から荷重を受ける。
【００２９】
（保持器１４０の分割メッシュ）
次に、保持器１４０について有限要素法による構造解析を行うために、保持器１４０を多数の要素に分割する。この分割メッシュについて、図４および図５を参照して説明する。図４および図５に示すように、本連成解析においては、分割する保持器１４０の要素は、六面体一次要素とする。つまり、一つの六面体一次要素は、境界面が６面であり、境界線分が１２本であり、節点数が８点（各角点）となる。ただし、分割する保持器１４０の要素を六面体二次要素としてもよい。一つの六面体二次要素は、境界面が６面であり、境界線分が１２本であり、節点数が２０点となる。
【００３０】
さらに、図５に示すように、保持器１４０の内周面から外周面に至る方向において、節点数が４点以上となるようにしている。ここでは、保持器１４０の内周面から外周面に至る方向において、五段の六面体一次要素を有するように分割メッシュを生成している。つまり、節点数が６点となる。
【００３１】
また、柱部１４４の外周面側における周方向の六面体一次要素の数は、７個とし、柱部１４４の内周面側における周方向の六面体一次要素の数は、３個となるように設定している。つまり、柱部１４４の外周面側における周方向の要素数が、内周面側における周方向の要素数より多くなるように設定されている。そして、柱部１４４において、内周面側から外周面側に行くに従って、周方向の要素数が多くなるようにしている。一方、軸方向縁部１４５，１４６の外周面における周方向の要素数は、軸方向縁部１４５，１４６の内周面側における周方向の要素数と同一となるように設定されている。
【００３２】
ところで、高精度な構造解析を行うために、六面体一次要素のアスペクト比を１に近づけることが望まれる。つまり、理想的な六面体一次要素は立方体となる。柱部１４４および軸方向縁部１４５，１４６は、上記にようにメッシュ分割することにより、アスペクト比を可能な限り１に近づけることができている。このことについて、詳細に説明する。
【００３３】
柱部１４４における外周面側の周方向幅は、内周面側の周方向幅に比べて大きい。特に、幅に対する差が大きい。そこで、柱部１４４においては、外周面側における周方向の要素数を内周面側における周方向の要素数より多くなるようにメッシュ分割している。そのため、柱部１４４の外周面側の周方向幅が内周面側の周方向幅より大きいとしても、柱部１４４の各要素のアスペクト比がそれほど大きくならないようにできる。つまり、高精度な柱部１４４の連成解析が可能となる。
【００３４】
また、上述したように、柱部１４４の外周面側は、外輪１１０の開口部側の内周縁に接触することにより、押し付け荷重を受ける。従って、柱部１４４の外周面側を高精度に解析することは非常に重要である。そして、柱部１４４の外周面側における周方向の要素数を多くすることによって、外輪１１０との接触に起因する応力分布を高精度に解析ができる。つまり、柱部１４４の各要素のアスペクト比を１に近づけることと、柱部１４４の外周面側における周方向の要素数を多くすることによって、柱部１４４の高精度な連成解析が可能となる。
【００３５】
また、保持器１４０の外内周面は、球面状であるため、軸方向縁部１４５，１４６の外周面側の周方向長さは、内周面側の周方向長さに比べて長い。ただし、軸方向縁部１４５，１４６の外内周面における周方向の要素数は、同一となるように設定されている。つまり、軸方向縁部１４５，１４６の要素形状は、内周面側から外周面側に行くに従って僅かながら大きくなっている。
【００３６】
ここで、軸方向縁部１４５，１４６における外内周面側の周方向長さの差の率（ΔＬ／Ｌａ）は、柱部１４４における外内周面側の周方向幅の差の率（ΔＨ／Ｈａ）に比べると小さい。そこで、軸方向縁部１４５，１４６については、外内周面側の周方向の要素数を同一にしたとしても、十分に高精度な連成解析を行うことができる。特に、要素数を同一にすることで、要素の設定が容易となる。このように、柱部１４４および軸方向縁部１４５，１４６を、それぞれに応じた要素にメッシュ分割することで、高精度に保持器１４０の応力解析を行うことができる。
【００３７】
また、保持器１４０の内周面から外周面に至る方向において六面体一次要素の境界線分上における節点数を４点以上としている。これにより、保持器１４０に対して径方向力が作用した場合に、変形後の保持器１４０の窓部１４３の輪郭形状が湾曲した形状に近似することができるようになり、且つ、当該輪郭形状が鋭角になることを抑制できる。その結果、高精度な解析結果を得ることができる。
【００３８】
ここで、ボール型等速ジョイント１００には、二次偶力が作用し、シャフト１０は曲げ変形することが知られている。そこで、本実施形態における連成解析モデルとして、シャフト１０を弾性体とすることで、二次偶力によりシャフト１０を曲げようとする力が発生した場合に、シャフト１０が曲げ変形することが許容される。従って、連成解析において保持器１４０に生じる応力は、実際の保持器１４０に生じる応力に非常に近い状態とすることができる。
【００３９】
さらに、シャフト１０の自重による曲げ変形を考慮すること、および、シャフト１０の他端に軸方向に摺動可能な摺動式トリポード型等速ジョイント２００を連結した状態で連成解析を行うことで、連成解析におけるシャフト１０の曲げ変形が実際の状態に近い状態とすることができる。その結果、高精度に保持器１４０の応力解析を行うことができる。
【符号の説明】
【００４０】
１００：ボール型等速ジョイント、 １１０：外輪、 １１２：外輪の内周面、 １１３：外輪ボール溝、 １２０：内輪、 １２１：内輪の外周面、 １２２：内輪ボール溝、 １３０：ボール、 １４０：保持器、 １４３：窓部、 １４４：柱部、 １４５，１４６：軸方向縁部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面に外輪ボール溝が形成された外輪と、外周面に内輪ボール溝が形成された内輪と、前記外輪ボール溝および前記内輪ボール溝を転動可能に配置され前記外輪と前記内輪との間でトルク伝達を行うボールと、前記外輪と前記内輪との間に配置され前記ボールを保持する窓部が形成された保持器と、を備えるボール型等速ジョイントにおける前記保持器の応力解析を行う装置であって、
前記保持器を六面体要素に分割して有限要素法により行う構造解析と、前記ボール型等速ジョイントの構成部品および当該構成部品に連結される部品により構成される解析モデルによる機構解析と、の連成解析を適用し、
前記保持器は、周方向に隣り合う前記窓部を区画する柱部を備え、
前記柱部の外周面側における周方向の前記六面体要素の数は、前記柱部の内周面側における周方向の前記六面体要素の数より多くなるように設定されているボール型等速ジョイントの保持器の応力解析装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記保持器は、前記柱部と、前記窓部における前記保持器の軸方向部分を区画する軸方向縁部とを備え、
前記軸方向縁部の外周面側における周方向の前記六面体要素の数は、前記軸方向縁部の内周面側における周方向の前記六面体要素の数と同一となるように設定されているボール型等速ジョイントの保持器の応力解析装置。
【請求項１】
内周面に外輪ボール溝が形成された外輪と、外周面に内輪ボール溝が形成された内輪と、前記外輪ボール溝および前記内輪ボール溝を転動可能に配置され前記外輪と前記内輪との間でトルク伝達を行うボールと、前記外輪と前記内輪との間に配置され前記ボールを保持する窓部が形成された保持器と、を備えるボール型等速ジョイントにおける前記保持器の応力解析を行う装置であって、
前記保持器を六面体要素に分割して有限要素法により行う構造解析と、前記ボール型等速ジョイントの構成部品および当該構成部品に連結される部品により構成される解析モデルによる機構解析と、の連成解析を適用し、
前記保持器は、周方向に隣り合う前記窓部を区画する柱部を備え、
前記柱部の外周面側における周方向の前記六面体要素の数は、前記柱部の内周面側における周方向の前記六面体要素の数より多くなるように設定されているボール型等速ジョイントの保持器の応力解析装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記保持器は、前記柱部と、前記窓部における前記保持器の軸方向部分を区画する軸方向縁部とを備え、
前記軸方向縁部の外周面側における周方向の前記六面体要素の数は、前記軸方向縁部の内周面側における周方向の前記六面体要素の数と同一となるように設定されているボール型等速ジョイントの保持器の応力解析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−６４４６６（Ｐ２０１３−６４４６６Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０４３４０（Ｐ２０１１−２０４３４０）
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【Ｆターム（参考）】
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