JP2006250333A

JP2006250333A - 中空状動力伝達シャフト

Info

Publication number: JP2006250333A
Application number: JP2005071537A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Sakurai; 勝弘櫻井; Akira Nakagawa; 亮中川; Kazuhiko Yoshida; 和彦吉田
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2006-09-21

Abstract

【課題】焼入をされた中空状動力伝達シャフトで、極表面層の硬度が低下するのを防止する。
【解決手段】中空状動力伝達シャフト１は、軸方向のほぼ全域Ｌに亘って、高周波焼入れ処理による硬化層Ｓを形成するが、極表面部Ｓｆの硬度低下量を最大硬度に対して△Ｈｖ５０以下とする。また、中空状シャフト素材の外周表面１ｇに冷却材を供給し、その冷却材による冷却速度が１３０℃／ｓｅｃとなるようにする。
【選択図】図３

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、特許文献２に記載されているように、鋼製のパイプ素材に塑性加工を施して、大径部と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高周波焼入れを施したものが知られている。
特開２００３―１３１４３号公報特開２００１―２０８０３７号公報

一般に、高周波焼入れは、高周波電流による電磁誘導を利用して鋼材の表面付近を加熱して焼入れを行なう熱処理方法であるが、高周波焼入れを中空状動力伝達シャフトの熱処理に適用した場合、焼入れ硬化層の極表面部の硬度がそれよりも深い領域の硬度よりも下がることがある。これは、高周波加熱後の冷却時に、冷却材で先に冷却された極表面部が素材内部の熱で自己テンパーされるためと考えられる。このよう硬化層の極表面部の硬度低下は、静的捩り強度等の静的強度に影響する他、硬化層表面の圧縮残留応力が低下して捩り疲労強度等の動的強度に影響する場合がある。

本発明の課題は、高周波焼入れによる硬化層の極表面部の硬度低下を抑制し、中空状動力伝達シャフトの静的強度と動的強度を高めることである。

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、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た中空状動力伝達シャフトにおいて、高周波焼入により形成された硬化層を有し、該硬化層が、外周表面から所定深さに至る領域に、該硬化層の最大硬度に対する硬度低下量△Ｈｖが△Ｈｖ≦５０である極表面部を有する構成を提供する。

また、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た中空状動力伝達シャフトの製造方法であって、パイプ素材に塑性加工を施して、大径部と小径部を有する中空状シャフト素材を成形し、中空状シャフト素材を外周表面側から高周波誘導加熱した後、該外周表面に冷却材を供給し、冷却速度１３０℃／ｓｅｃ以上で冷却して高周波焼入れを行なう鋼製を提供する。

上記構成により、高周波焼入れによる硬化層の極表面部が冷却時に自己テンパーされる現象が防止され、極表面部の硬度低下が抑制される。

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、上記の塑性加工として、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。
上記の塑性加工の後、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しても良い。この歯型は、小径部の両端部の連結部にそれぞれ形成しても良いし、小径部の一端部又は他端部の連結部にのみ形成しても良い。

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。

また、高周波焼入れの方式としては、定置方式と移動方式とがあるが、本発明ではそのいずれの方式も採用することができる。

本発明によれば、高周波焼入れによる硬化層の極表面部の硬度低下を抑制し、中空状動力伝達シャフトの静的強度と動的強度を高めることができる。

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が形成されている。

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が形成されている。

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。

また、同図にハッチングを付して示しているように、この動力伝達シャフト１は、止め輪溝１ｄ２の近傍から軸端に至る一部領域を除く、軸方向のほぼ全域Ｌに亘って、焼入れ処理による硬化層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。図４に軸方向昼間部のＡ部拡大断面図を示す。

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０．４５ｗｔ％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もしくは減肉が認められる。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、比較的薄肉の大径部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、高周波誘導加熱コイル４により中空状シャフト素材１'を外周表面１ｇから高周波誘導加熱した後、外周表面１ｇに冷却材、例えば冷却水を散布し、冷却速度１３０℃／ｓｅｃ以上、好ましくは３００℃／ｓｅｃ以上で冷却して焼入れを行なう。冷却速度の調整は、冷却水の温度、水量（散布量）等の冷却条件を調整することによって行なうことができる。

上記の高周波焼入れにより、中空状シャフト素材１'の軸方向域Ｌにおいて、外周表面１ｇから所定深さｈ０の領域に硬化層Ｓが形成される。

図５は、上記のようにして形成した硬化層Ｓの硬度分布を示している。横軸は外周表面１ｇから内径方向に図った深さ（ｍｍ）、縦軸は硬度（Ｈｖ：ビッカース硬度）である。図６は、図５の硬度分布において、外周表面１ｇの近傍部分を拡大したものである。同図において、硬化層Ｓの硬度分布は、外周表面１ｇから深さｔ１の位置にかけて上昇し、深さｔ１の位置から深さ（ｔ１＋ｔ２）の位置までほぼ最大硬度を保った状態で推移し、その後、徐々に硬度が低下する傾向を示している。ここで、ほぼ最大硬度を維持する領域の深さ方向寸法ｔ２がｔ２≧１ｍｍであるとき、この深さ領域ｔ２を「フラット部Ｓｇ」と定義する。硬化層Ｓの最大硬度は、フラット部Ｓｇの一部領域又は全部領域で現れる。尚、熱処理条件によっては、０≦ｔ２＜１ｍｍとなり、フラット部Ｓｇが現れない場合もある。

外周表面１ｇからフラット部Ｓｇに至る深さ領域ｔ１の硬度は、フラット部Ｓｇに現れる硬化層Ｓの最大硬度と同じかそれよりも低くなっている。この深さ領域ｔ１を「極表面部Ｓｆ」と定義する。この実施形態において、硬化層Ｓの最大硬度に対する極表面部Ｓｆの硬度低下量△Ｈｖは△Ｈｖ≦５０であり、極表面部Ｓｆの硬度低下量△Ｈｖが従来よりも小さい範囲に規制されている。極表面部Ｓｆの深さｔ１は、例えば０．５ｍｍ、又は０．５ｍｍの近傍の値をとる。

上記のように、高周波加熱後の冷却時の冷却速度を１３０℃／ｓｅｃ以上に調整することにより、冷却時に極表面部Ｓｆが自己テンパーされる現象が防止され、極表面部Ｓｆの硬度低下が抑制される共に、圧縮残留応力の低下が抑制される。そして、硬化層Ｓの最大硬度に対する極表面部Ｓｆの硬度低下量△Ｈｖを△Ｈｖ≦５０に規制することにより、中空状動力伝達シャフト１の静的強度と動的強度を高めることができる。

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。図２のＡ部拡大断面図である。外周表面から深さ方向の硬度を示すグラフである。図５のＢ部拡大図である。

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
Ｓｆ極表面部

Claims

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た中空状動力伝達シャフトにおいて、
高周波焼入により形成された硬化層を有し、該硬化層が、外周表面から所定深さに至る領域に、該硬化層の最大硬度に対する硬度低下量△Ｈｖが△Ｈｖ≦５０である極表面部を有することを特徴とする中空状動力伝達シャフト。
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た中空状動力伝達シャフトの製造方法であって、
パイプ素材に塑性加工を施して、前記大径部と小径部を有する中空状シャフト素材を成形し、
前記中空状シャフト素材を外周表面側から高周波誘導加熱した後、該外周表面に冷却材を供給し、冷却速度１３０℃／ｓｅｃ以上で冷却して高周波焼入れを行なうことを特徴とする中空状動力伝達シャフトの製造方法。