ユニバーサルジョイントとは?機能・構成部品・仕組み

ユニバーサルジョイント(Uジョイント、カルダンジョイントやハーディ・スパイサージョイントとも呼ばれます)は、軸線がある角度で交わる2本の回転軸をつなぐ機械式カップリングで、軸が一直線上にないときでもトルクを伝え続けられるようにします。車両では、最もよく見られる場所はドライブシャフトの両端で、サスペンションがトランスミッションに対してアクスルを上下に動かす間も、シャフトが回転し続けられるようにします。

ユニバーサルジョイントの構成

標準的な十字型のユニバーサルジョイントには3つの部品があり、それを説明するすべての情報源が、同じ3つで一致しています。

  • 2つのヨーク — U字型のブラケットで、1つは駆動軸に、もう1つは従動軸にボルトで固定される。
  • クロス(スパイダー、ジャーナルとも呼ばれます) — 90°間隔で配置された4本のアーム(トラニオン)を持つ、剛性のあるX字型の部品。
  • ベアリングキャップ内のニードルベアリング — 小さなニードルローラーが詰められたキャップが、クロスの4本のアームそれぞれにかぶさり、両方のヨークが最小限の摩擦でクロス上を旋回できるようにする。

各ヨークは、クロスの向かい合うアームに接続されます。クロスが両者の間にあり、両方のヨークがその上で独立して旋回できるため、ジョイントは角度をつけて曲がりながらも、回転力をそのまま伝え続けることができます。

しくみ

ユニバーサルジョイントを通る動力の経路は単純です。

  1. 駆動軸が自分のヨークを回す。
  2. そのヨークがクロスを押す。
  3. クロスが2つ目のヨークを押す。
  4. 2つ目のヨークが従動軸を回す — 最初の軸と完全には一直線でなくても。

これによって、ドライブシャフトは、フレームに固定されたトランスミッションから、アクスルとともに絶えず上下に動くデフへ、動力を伝え続けられます。ジョイントがなければ、剛性のあるシャフトは、両端が完全に一直線でなくなった途端に、固着するか折れてしまいます。

トレードオフ:単一のユニバーサルジョイントは一定の速度では回らない

これは、ほとんどの人が予想しない部分です。ユニバーサルジョイントが角度をつけて動作しているとき、入力軸が一定の速度で回っていても、出力軸は完全には一定の速度で回転しません。出力は1回転につき2回加速と減速を繰り返し、動作角度が大きいほど、その速度変動は顕著になります。これは欠陥ではなく、単一のクロスとヨークのジョイントが、幾何学的に角度を処理する方法に固有のものです。

ここから、直接2つの帰結が生じます。

  • ほとんどのドライブシャフトは、1つではなく、2つのユニバーサルジョイントを使います — 各端に1つずつ。これは、正しく取り付けられた2つ目のジョイントが、最初のジョイントが生む速度変動を打ち消せるからです。その打ち消しが実際に機能するには、2つのジョイントが、互いに正しい回転関係で取り付けられている必要があり、これをフェージング(位相合わせ)と呼びます。2つのユニバーサルジョイントが適切に位相合わせされていないドライブシャフトは、どちらのジョイントも機械的には問題がなくても、振動します。
  • 用途によっては、この制約がまったくないジョイントが必要です。ダブルカルダンジョイントは、2つのユニバーサルジョイントを背中合わせにしてコンパクトなアセンブリにし、変動を内部で打ち消します。後輪側のシャフトよりも急な角度で動作することが多い、4WDのフロントドライブシャフトで一般的です。等速(CV)ジョイントは、さらに一歩進み、異なる内部の幾何形状(クロスとヨークではなく、曲面の溝を転がる鋼球)を使って、より急な角度でも、真に一定の出力速度を維持します。そのため、前輪駆動のアクスルや独立懸架は、単純なユニバーサルジョイントではなく、CVジョイントを使います。

どこにあるか

ドライブシャフトが主な場所で、トランスミッション(4WD/AWD車ではトランスファーケース)とデフをつなぎ、アクスルが動くときのサスペンションの上下の動きに対応します。ユニバーサルジョイントは、知っておく価値のある、いくつかの副次的な場所にも現れます。ステアリングコラムでは、ステアリングシャフトが、ステアリングラックへ向かう途中でエンジンルーム内の部品を避けて曲がれるようにし、トラクターやその他の農業/産業機械のPTO(パワーテイクオフ)シャフトでは、機械とアタッチメントの間で、変動する角度で回転動力を伝えます。

ユニバーサルジョイントが摩耗してきているサイン

ユニバーサルジョイントのニードルベアリングは、時間とともに潤滑が切れたり摩耗したりし、そうなると、次のうち1つ以上として現れます。DレンジやRレンジに入れたときのゴトッという音、速度とともに増す振動、あるいは、路面速度ではなくエンジン回転数に応じて変わる、車両の下からのキーキー/ゴリゴリという音です。これは、それだけで症状と診断の完全な解説に値し、この記事の役割は、ジョイントとは何か、どのように動作するかを説明することであって、故障診断を順に説明することではありません。

クイックリファレンス

部品 作業
ヨーク(×2) 駆動軸/従動軸に接続する
クロス/スパイダー 中心のピボット点で、トラニオンアームは90°
ニードルベアリングキャップ ヨークがクロス上を低摩擦で旋回できるようにする
2つ目のユニバーサルジョイント(位相合わせ済み) 最初のジョイントの速度変動を打ち消す
ダブルカルダンジョイント 2つのユニバーサルジョイントを組み合わせて、変動を内部で打ち消す — 4WDのフロントシャフトで一般的
CVジョイント 異なる幾何形状で、より急な角度でも一定の速度を保つ — 前輪駆動/独立後輪懸架(IRS)のアクスルで使われる

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Danny Ni エンジニアリング&機械システムのライター
Danny Niは、SYZ Machineでエンジニアリングを専門とするテクニカルライターで、機械部品、リンケージシステム、実際の用途に即したエンジニアリングを得意としています。アフターマーケットの車両部品、産業用ジョイント、機械の原理を扱い、複雑なエンジニアリングの概念を、エンジニア、製作者、業界のバイヤーに役立つ実践的な知見へと落とし込んでいます。

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