JP2006250332A - 中空状動力伝達シャフト - Google Patents

Abstract

【課題】静的強度と動的強度を共に確保した中空状動力伝達シャフトを提供する。
【解決手段】動力伝達シャフト１の小径部１ｂは、継手との連結に供される端部側の連結部１ｄと、ブーツが固定される軸方向中間部側のブーツ固定部１ｅと、連結部１ｄとブーツ固定部１ｅとの間の最小径部１ｆとを有している。動力伝達シャフト１は、軸方向のほぼ全域Ｌに亘って、熱処理による硬化層Ｓを有している。硬化層Ｓは、動力伝達シャフト１の軸方向のほぼ全域Ｌに亘って高周波誘導加熱による焼入れを行い、その後、小径部１ｂの連結部１ｄとブーツ固定部１ｅに高周波誘導加熱による局部的な焼戻しを行なって形成したものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、等速自在継手等の継手に連結される中空状動力伝達シャフトに関し、例えば、自動車の動力伝達系を構成するドライブシャフト（駆動軸）やプロペラシャフト（推進軸）に適用することができる。

例えば、自動車の動力伝達系において、減速装置（ディファレンシャル）から駆動輪に動力を伝達する動力伝達シャフトは、ドライブシャフト（駆動軸）と呼ばれることがある。特に、ＦＦ車に使用されるドライブシャフトでは、前輪操舵時に大きな作動角と等速性が要求され、また、懸架装置との関係で軸方向の変位を吸収する機能が要求されるので、その一端部をダブルオフセット型等速自在継手やトリポード型等速自在継手等の摺動型等速自在継手を介して減速装置側に連結し、その他端部をバーフィールド型等速自在継手（ゼッパジョイントと呼ばれることもある。）等の固定側等速自在継手を介して駆動輪側に連結する機構が多く採用されている。

上記のようなドライブシャフトとしては、従来、また現在においても、中実シャフトが多く使用されているが、自動車の軽量化、ドライブシャフトの剛性増大による機能向上、曲げ一次固有振動数のチューニング最適化による車室内の静粛性向上等の観点から、近時では、ドライブシャフトを中空シャフト化する要求が増えてきている。

ドライブシャフト等に適用される中空状動力伝達シャフトとしては、例えば、下記の特許文献１に記載されたものが知られている。

特許文献１に記載された中空状動力伝達シャフトは、軸方向中間部が大径部に形成され、軸方向両側部がそれぞれ小径部に形成されている。小径部は、継手が連結される端部の連結部と、ブーツが固定される大径部側のブーツ固定部と、連結部とブーツ固定部との間の最小径部とを有している。特許文献１では、中空状動力伝達シャフトの軸方向のほぼ全域に亘って高周波焼入れ・焼戻し処理を行い、外周表面から内周面表面に至る肉厚全体に硬化処理を施している（同文献の段落番号００１２参照）。
特開２００２―３４９５３８号公報

一般に、この種の中空状動力伝達シャフトは、捩り疲労強度等の動的強度に対しては、動力伝達部となる軸端部の連結部が最弱部となり、静的捩り強度等の静的強度に対しては、軸径が最も小径となる最小径部が最弱部となる。従って、連結部については硬度と靭性の確保が重要であり、最小径部については硬度の確保が重要である。この点、特許文献１では、中空状動力伝達シャフトの軸方向ほぼ全域について高周波焼入れ・焼戻し処理を行なっているので、焼戻しの際に最小径部の硬度も低下してしまい、使用条件によっては静的強度が不足する場合があった。その一方で、焼戻し処理を廃止すると、連結部の靭性が低下して必要な動的強度が得られず、また、形状が複雑なブーツ固定部に焼割れ等が発生する場合もあった。

本発明の課題は、静的強度と動的強度を共に確保した中空状動力伝達シャフトを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、軸方向中間部が大径部に形成されると共に、大径部よりも軸方向両側部がそれぞれ小径部に形成され、小径部は、継手が連結される端部の連結部と、ブーツが固定される大径部側のブーツ固定部と、連結部とブーツ固定部との間の最小径部とを有する中空状動力伝達シャフトにおいて、大径部及び小径部に焼入処理を施した後、小径部の連結部とブーツ固定部のうち、少なくとも連結部に局部的に焼戻し処理を施した構成を提供する。

動力伝達部となる連結部には局部的に焼戻し処理を施することにより、焼入れ後の不安定な組織状態が改善され、焼割れ、置き割れ、経年変化の心配が解消されると同時に、必要な靭性が確保され、捩り疲労強度等の動的強度が確保される。さらに、ブーツ固定部に対しても局部的に焼戻し処理を施することにより、焼入れ後の不安定な組織状態が改善され、焼割れ、置き割れ、経年変化の心配が解消される。一方、最小径部は焼入れ状態のまま残されるので、必要な硬度が確保され、静的捩り強度等の静的強度が確保される。

本発明の中空状動力伝達シャフトは、例えば、鋼製のパイプ素材に塑性加工を施して、軸方向中間部に大径部、軸方向両側部に小径部を有する中空状シャフト素材を成形し、この中空状シャフト素材に所要の機械加工を施して連結部やブーツ固定部等を成形した後、焼入れ処理と、連結部（及びブーツ固定部）に局部的な焼戻し処理を施すことによって製造される。

上記の塑性加工としては、スウェージング加工やプレス加工等が採用される。前者のスウェージング加工には、ロータリースウェージングとリンクタイプスウェージングがあり、その何れも採用することができる。

例えば、ロータリースウェージングは、機内の主軸に組込まれた一対又は複数対のダイスとバッカーとが回転運動を行なうと共に、外周ローラとバッカー上の突起により一定ストロークの上下運動を行なって、挿入されるパイプ素材に打撃を加えて絞り加工を行なう加工法である。

また、プレス加工は、パイプ素材をダイスに軸方向に押し込んで絞り加工を行なう加工法である。上記の塑性加工は、パイプ素材の軸方向全域に対して行っても良いし、軸方向両側部に対してのみ部分的に行なっても良い。

前者の場合、塑性加工後の中空状シャフト素材は、軸方向中間部の大径部と軸方向両側部の小径部において、塑性加工に伴う加工硬化と縮径による増肉が認められる。後者の場合、塑性加工後の中空状シャフト素材は、軸方向両側部の小径部において、塑性加工に伴う加工硬化と縮径による増肉が認められるが、軸方向中間部の大径部には、これらの現象は認められない。

あるいは、塑性加工として、パイプ素材の軸方向中間部を内周側から加圧して拡径させる加工法を採用することもできる。この場合、塑性加工後の中空状シャフト素材は、軸方向中間部の大径部において、塑性加工に伴う加工硬化と拡径による減肉が認められる。上記の機械加工は、例えば、小径部の端部の連結部に、継手との連結に供される歯型（スプラインやセレーション等）を転造やプレス加工等の手段によって加工するものである。この歯型は、両端部の連結部にそれぞれ形成しても良いし、一端部又は他端部の連結部にのみ形成しても良い。また、ブーツ固定部は、例えば、小径部の大径部側の外周面に旋削加工や転動加工等の手段によって加工することができる。小径部の最小径部は、平滑な外周面形状を呈し、通常は均一外径になっている。

上記のパイプ素材の材質としては、例えば、ＳＴＫＭやＳＴＡＭ等の機械構造用炭素鋼、または、それらをベースに加工性や焼入れ性等の改善のために合金元素を添加した合金鋼を用いることができる。

上記の焼入れ処理の種類は特に限定されないが、パイプ素材の材質や動力伝達シャフトに要求される特性等を考慮すると、硬化層の範囲や深さを自由に選択でき、また、表面に残留圧縮応力が生成されることによる耐疲れ疲労性の改善等の点から、高周波誘導加熱方式を採用するのが好ましい。また、上記の焼戻し処理としては、局部的な焼戻し処理が可能な高周波誘導加熱方式を採用するのが好ましい。

また、中空状動力伝達シャフトの材質としては、０．２〜０．４ｗｔ％の炭素を含有する鋼材を用いるのが好ましい。０．２〜０．４ｗｔ％の炭素を含有する鋼材は、焼入れを行い硬化させた後でも十分な靭性を有するため、最小径部に焼戻しを行なわず、焼入れのまま残しても、焼割れ等の心配はない。

本発明によれば、静的強度の最弱部となる最小径部は、焼戻し処理が施されず、焼入れ状態のまま残されているので、必要な硬度が確保され、静的捩り強度等の静的強度が確保される。また、動的強度の最弱部となる連結部は、局部的に焼戻し処理が施されているので、焼入れ後の不安定な組織状態が改善され、焼割れ、置き割れ、経年変化の心配が解消されると同時に、必要な靭性が確保され、捩り疲労強度等の動的強度が確保される。さらに、ブーツ固定部に対しても局部的に焼戻し処理を施することにより、焼入れ後の不安定な組織状態が改善され、焼割れ、置き割れ、経年変化の心配が解消される。その結果、中空状動力伝達シャフトとしての強度アップと品質の安定が図られる。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。

図１は、中空状の動力伝達シャフト１と、動力伝達シャフト１の一端部に連結された摺動型等速自在継手２と、動力伝達シャフト１の他端部に連結された固定型等速自在継手３とを備えた自動車の動力伝達機構を示している。この実施形態の動力伝達機構において、摺動型等速自在継手２は減速装置（ディファレンシャル）に連結され、固定型等速自在継手３は駆動輪側に連結される。動力伝達シャフト１の一端部は摺動型等速自在継手２のトリポード部材２ａにスプライン連結され、摺動型等速自在継手２の外輪２ｂの端部外周と動力伝達シャフト１の外周にブーツ２ｃがそれぞれ固定されている。

また、動力伝達シャフト１の他端部は固定型等速自在継手３の内輪３ａにスプライン連結され、固定型等速自在継手３の外輪３ｂの端部外周と動力伝達シャフト１の外周にブーツ３ｃがそれぞれ固定されている。尚、同図には、摺動型等速自在継手２としてトリポード型等速自在継手が例示され、固定型等速自在継手３としてバーフィールド型等速自在継手が例示されているが、他の型式の等速自在継手が用いられる場合もある。

図２は、動力伝達シャフト（ドライブシャフト）１を示している。この動力伝達シャフト１は、軸方向の全域に亘って中空状をなし、軸方向中間部に大径部１ａ、大径部１ａよりも軸方向両側部にそれぞれ小径部１ｂを有している。大径部１ａと小径部１ｂとは、軸端側に向かって漸次縮径したテーパ部１ｃを介して連続している。

小径部１ｂは、等速自在継手（２、３）との連結に供される端部側の連結部１ｄと、ブーツ（２ｃ、３ｃ）が固定される軸方向中間部側のブーツ固定部１ｅと、連結部１ｄとブーツ固定部１ｅとの間の最小径部１ｆとを有している。

連結部１ｄには、等速自在継手（２、３）にスプライン連結されるスプライン１ｄ１と、等速自在継手（２、３）に対する軸方向抜け止め用の止め輪を装着するための止め輪溝１ｄ２が加工されている。

ブーツ固定部１ｅには、ブーツ（２ｃ、３ｃ）の小径端部の内周を嵌合するためのブーツ固定溝１ｅ１が加工されている。

この実施形態において、最小径部１ｆは、内径及び外径が軸方向にほぼ一定であり、軸方向にほぼ均一な形状を有している。

この動力伝達シャフト１は、軸方向のほぼ全域Ｌに亘って、熱処理による硬化層Ｓを有している。軸方向域Ｌにおいて、硬化層Ｓは、外周表面１ｇから所定深さｈ０の領域に形成され、硬化層Ｓから内周表面１ｉに至る領域は焼入れ処理により硬化していない未硬化層Ｓ０になっている。尚、外周表面１ｇから内周表面１ｉに至る全肉厚領域に硬化層Ｓが形成されるようにしても良い。

この実施形態において、硬化層Ｓは、動力伝達シャフト１の軸方向のほぼ全域Ｌに亘って高周波誘導加熱による焼入れを行い、その後、小径部１ｂの連結部１ｄとブーツ固定部１ｅに高周波誘導加熱による局部的な焼戻しを行なって形成したものである。図２において、硬化層Ｓのうち、焼戻しが行なわれた領域をＳＢ（図２で××線を付して示している）で表している。

上記構成の動力伝達シャフト１は、例えば、つぎのような態様で製造することができる。まず、機械構造用炭素鋼管（ＳＴＫＭ）等のパイプ素材に軸方向全域に亘ってロータリースウェージング加工を施して、軸方向中間部に大径部１ａ、軸方向両側部に小径部１ｂを有する中空状シャフト素材１'を成形する。

前記機械構造用炭素鋼管としては、Ｃが０．２０ｗｔ％以上で０．４ｗｔ％以下、Ｓｉが０．０５ｗｔ％以上で０．３５ｗｔ％以下、Ｍｎが１．０ｗｔ％以上で２．０ｗｔ％以下、Ａｌが０．０５ｗｔ％以下、Ｓが０．０１ｗｔ％以下で含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物を有する鋼材により形成されているものが望ましい。

このようにして成形された中空状シャフト素材１'には、軸方向全域に亘って、ロータリースウェージング加工による加工硬化と縮径による増肉が認められる。そして、この中空状シャフト素材１'の小径部１ｂの端部に転造加工やプレス加工等によってスプライン１ｄ１を成形して連結部１ｄを形成すると共に、連結部１ｄに転造加工や切削加工等によって止め輪溝１ｄ２を形成する。また、ブーツ固定部１ｅとなる部位に転造加工や切削加工等によってブーツ固定溝１ｅ１を形成する。

その後、図３に示すように、中空状シャフト素材１'の外周表面１ｇの側に、例えば移動式の高周波誘導加熱コイル４を外装し、高周波誘導加熱コイル４に所定周波数の高周波電流を通じつつ、これを軸方向に移動させて、外周表面１ｇの側から軸方向域Ｌに対して高周波焼入れを行なう。この高周波焼入れは、定置式焼入れ方式であってもよい。その際、比較的厚肉の小径部１ｂに対しては、高周波誘導加熱コイル４に通じる高周波電流の周波数を相対的に低くし、比較手薄肉の大径部１ａに対しては、高周波誘導加熱コイル４に通じる高周波電流の周波数を相対的に高くして、焼入率を変更してもよい。
そして、上記の高周波焼入れが終了した後、図３と同様の移動式の高周波誘導加熱コイル４を用いて、連結部１ｄとブーツ固定部１ｅに対して局部的な焼戻しを行なう。

材質ＳＴＫＭ−１５相当材で、最小径部１ｆの外形寸法φ２４ｍｍ、肉厚６ｍｍのパイプ材を用いて高周波誘導加熱焼入にて全硬化させた場合の硬度と、その後焼戻しを行った場合の硬度を測定した。その硬度分布を図４に示す。図４に示す結果から、焼入れのみの行なったパイプ材では表面硬度がＨＲＣ５８程度であったのに対して、焼戻しを行なったパイプ材では表面硬度がＨＲＣ５５程度となり、焼戻しにより表面硬度がＨＲＣで約３ポイント低下することが確認された。そして、両パイプ材について静的捩り強度を測定したところ、図５に示すように、焼戻しを行なったパイプ材の静的捩り強度を１００として、焼入れのみの行なったパイプ材では静的捩り強度が１０７となり、高い静的捩り強度が得られることが分かった。

自動車の動力伝達機構を示す一部切欠け断面図である。 実施形態に係る動力伝達シャフトを示す一部断面図である。 中空状シャフト素材を示す断面図である。 硬度分布を示すグラフである。 静捩り強度を示すグラフである。

符号の説明

１ 動力伝達シャフト
１ａ 大径部
１ｂ 小径部
１ｆ 平滑部
１ｉ 内周表面
１ｇ 外周表面
Ｓ 硬化層
Ｓ０ 未硬化層
ＳＢ 焼戻し層

Claims (2)

1. 軸方向中間部が大径部に形成されると共に、該大径部よりも軸方向両側部がそれぞれ小径部に形成され、該小径部は、継手が連結される端部の連結部と、ブーツが固定される大径部側のブーツ固定部と、前記連結部とブーツ固定部との間の最小径部とを有する中空状動力伝達シャフトにおいて、
   前記大径部及び小径部に焼入処理を施した後、前記小径部の連結部とブーツ固定部のうち、少なくとも前記連結部に局部的に焼戻し処理を施したことを特徴とする中空状動力伝達シャフト。
2. ０．２〜０．４ｗｔ％の炭素を含有する鋼材で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の中空状動力伝達シャフト。

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