JP2007315463A - 中空状動力伝達シャフト - Google Patents

Abstract

【課題】ドライブシャフトやプロペラシャフト用で長物、かつ重量の軽い構造の中空状動力伝達シャフトを提供する。
【解決手段】小径部１１ａ、１１ｂと大径部１０ａ、１０ｂとを有する第１中空軸１Ａ及び第２中空軸１Ｂを備えた中空状動力伝達シャフトである。第１中空軸１Ａと第２中空軸１Ｂとをそれぞれ全長にわたって中空とする。第１中空軸１Ａの大径部１０ａの端面１６ａと第２中空軸１Ｂの大径部１０ｂの端面１６ｂとを接合一体化し、軸方向中間部に大径部１０ａ、１０ｂを配設するとともに軸方向端部に小径部１１ａ、１１ｂを配設した。
【選択図】図１

Description

本発明は、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）などに使用される動力伝達シャフトであって、中空状動力伝達シャフトに関するものである。

自動車の動力伝達機構は、図６に示すように、動力伝達シャフト１０１と、動力伝達シャフト１０１の一端部に連結された摺動型等速自在継手１０２と、動力伝達シャフト１０１の他端部に連結された固定式等速自在継手１０３とを備えている。この動力伝達機構において、摺動型等速自在継手１０２は減速装置（ディファレンシャル）に連結され、固定式等速自在継手１０３は、駆動輪側に連結される。動力伝達シャフト１０１の一端部は摺動型等速自在継手１０２のトリポード部材１０４にスプライン結合され、摺動型等速自在継手１０２の外輪１０５の端部外周と動力伝達シャフト１０１の外周にブーツ１０６がそれぞれ固定されている。動力伝達シャフト１０１の他端部は、固定式等速自在継手１０３の内輪１０７にスプライン連結され、固定式等速自在継手１０３の外輪１０８の端部外周と動力伝達シャフト１０１の外周にブーツ１０９が固定されている。

ところで、ドライブシャフトやプロペラシャフトに使用される動力伝達シャフトは、中実の棒材から加工された中実シャフトと、鋼管等から加工された中空シャフトとに大別される。

近年、自動車の足回りの軽量化、捩り剛性やＮＶＨ特性の向上といった機能面での必要性から中空シャフトが用いられることがしばしばある。この種の中空シャフトは、一体型中空シャフトと、接合型中空シャフトとに大別される。また、接合型中空シャフトには、パイプ部と軸部とを別々に成形して摩擦圧延や溶接により接合した構造（特許文献１）や、鍛造や旋削加工等により成形された一対のスタブシャフトの端面同士を摩擦圧接等で接合した構造（特許文献２）等がある。

一体型中空シャフト１０１は、図７に示すように、最大外径部を持つ中央の大径部１０１ａと端部にスプラインを設けた小径部１０１ｂとを同一素管から一体成形した構造であり、例えば、スウェージング加工やプレス加工などの塑性加工により成形される。

接合型中空シャフトは、図８に示すように、第１軸１１０と第２軸１１１からなる。第１軸１１０と第２軸１１１は、それぞれ、中実の小径部１１２、１１４と、この小径部１１２、１１４に連設される中空大径部１１３、１１５とを有する。この場合、この第１軸１１０の中空大径部１１３の端面と第２軸１１１の中空大径部１１５の端面とが接合される。また、図９のように、接合型中空シャフトには、第１軸１１０と第２軸１１１と中間大径軸１１６とを有したものもある。この場合、第１軸１１０の大径部１１３と第２軸１１１の大径部１１５との間に、中間大径軸１１６を配設して、各大径部１１３、１１５の端面とこれに対面する中間大径軸１１６の各端面とを接合一体化したものである。
特開平５−１０３１９号公報 特開２００１−３１５５３９号公報

一体型中空シャフトの内部は、シャフト全長にわたって中空であるため、シャフト全体として軽量である。しかしながら、このような一体型中空シャフトでは加工負荷や加工長さ等の設備上の制約により、ドライブシャフトやプロペラシャフト等に使用される中空シャフトで、長物を一体で成形することが困難であった。また、接合型中空シャフトでは、２、３点に分割された部品を接合しているので、長物の中空シャフトを製作することは可能である。ところが、この場合、端部側の小径部においては中実である。すなわち、中空シャフトを削り出しにより成形する場合、ドリル加工で小径部を中空とすれば、コスト高となる。また、鍛造により成形する場合、低コストで成形できるが、加工能力的に小径部まで中空にすることはできず、大径部でもある深さまでしか成形できない。これにより、従来においては、端部側の小径部においては中実である。このため、全長にわたって中空である中空シャフトと比較して重量が重いという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みて、ドライブシャフトやプロペラシャフト用で長物、かつ重量の軽い構造の中空状動力伝達シャフトを提供する。

本発明の中空状動力伝達シャフトは、小径部と大径部とを有する第１中空軸及び第２中空軸を備え、前記第１中空軸と前記第２中空軸とをそれぞれ全長にわたって中空として、第１中空軸の大径部の端面と第２中空軸の大径部の端面とを接合一体化し、軸方向中間部に前記大径部を配設するとともに軸方向端部に前記小径部を配設したものである。

本発明の中空状動力伝達シャフトでは、全長にわたって中空の第１中空軸と第２中空軸とを大径部の端面で接合一体化しているので、シャフト全長にわたって内部を中空とすることができる。また、２つの中空軸を接合するものであるので、全体の長さ（軸方向長さ）が大となるシャフトを製作することができる。

本発明の他の中空状動力伝達シャフトは、小径部と大径部とを有する第１中空軸及び第２中空軸を備え、前記第１中空軸と前記第２中空軸とをそれぞれ全長にわたって中空として、第１中空軸の大径部と第２中空部の大径部との間に全長にわたって中空の中間大径軸を配設して、各大径部の端面とこれに対面する中間大径軸の各端面とを接合一体化し、軸方向中間部に前記中間大径軸を配設するとともに軸方向端部に前記小径部を配設したものである。

本発明の他の中空状動力伝達シャフトは、全長にわたって中空の第１中空軸の大径部と第２中空軸の大径部との間に、全長にわたって中空の中間大径軸を配設しているので、シャフト全長にわたって内部を中空とすることができる。しかも、３つの中空軸を接合しているので、さらに長物の中空シャフトを製作することができる。

前記各端面間の接合を摩擦圧接とすることができる。これにより、各軸を高強度に接合することができる。摩擦圧接法とは、固体同士を溶融させずに接合する直接固相接合法の一種であり、接合する部材（たとえば金属や樹脂など）を高速で擦り合わせ、そのときに生じる摩擦熱によって部材を軟化させると同時に圧力を加えて接合する方法である。この摩擦圧接法の利点としては、比較的簡単な作業で寸法精度の高い製品が得られ、仕上げ加工を施した部材の組み立て接合が行える。

前記各軸を、スウェージング加工やプレス加工等の塑性加工にて成形することができる。

前記第１中空軸と第２中空軸とを同一寸法形状とすることができる。これにより、第１中空軸と第２中空軸とを同一のものをもって構成することができ、第１中空軸と第２中空軸とで２種類のものを製造する必要がない。このため、各軸をスウェージング加工やプレス加工等の塑性加工にて成形する際には、同一の塑性加工用工具にて加工することができる。

前記第１中空軸及び前記第２中空軸の小径部に高周波焼入れを施して表面硬化層を形成することができる。これにより、シャフト全体からみて強度的に最弱部となる小径部の強度を高めることができる。

本発明の中空状動力伝達シャフトでは、２つの中空軸で中空状動力伝達シャフトを形成することができるので、従来では製造が困難であった全長が中空の長物シャフトの製作が、新たな設備投資費をかけることなく可能となる。しかも、シャフト全長にわたって内部を中空とすることができるので、このシャフトを、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）等に用いれば、自動車の足回りの軽量化、捩り剛性やＮＶＨ特性の向上に寄与することができる。

他の中空状動力伝達シャフトでは、２つの中空軸の間に中間大径軸を配設して３つ以上の中空軸で中空状動力伝達シャフトを構成することができるので、さらに長物の中空シャフトを製作することができる。しかも、接合される第１中空軸と中間大径軸と第２中空軸とはそれぞれ全長にわたって中空であるので、このシャフトは、全長にわたって中空であり、軽量化を図ることができる。

前記各端面間の接合を摩擦圧接とすることにより、良好な接合を得ることができるとともに、接合時間を短くできる。このため、各軸を高強度に一体接合することができ、しかも、自動化や大量生産に有利である。

前記各軸を、スウェージング加工やプレス加工等の塑性加工にて成形することにより、切削加工に比べて材料費を低減することができ、シャフトを軽量にすることができる。

第１中空軸と第２中空軸とで２種類のものを製造する必要がなく、第１中空軸と第２中空軸を製造する際に使用する塑性加工用工具等を共用することができる。このため、塑性加工用工具の省略、および生産性の向上を図ることができ、加工費を低減することができる。

シャフト全体からみて強度的に最弱部となる小径部の強度を高めることができるので、シャフト全体が高強度となって、耐久性に優れる。

本発明に係る中空状動力伝達シャフトの実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。

自動車の動力伝達機構は、図１に示すように、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式等速自在継手３とを備えている。

こ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、固定式等速自在継手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４にスプライン結合され、摺動型等速自在継手２の外輪５の端部外周と動力伝達シャフト１の外周にブーツ６がそれぞれ固定されている。動力伝達シャフト１の他端部は、固定式等速自在継手３の内輪７にスプライン連結され、固定式等速自在継手３の外輪８の端部外周と動力伝達シャフト１の外周にブーツ９が固定されている。

図２は、動力伝達シャフト１の第１実施形態の一部断面図である。このシャフト１は、軸方向の全長にわたって中空の筒状部材であり、第１中空軸１Ａと第２中空軸１Ｂとを同軸に接続することにより形成される。前記シャフト１は、軸方向中間部に大径部１０ａ、１０ｂと、前記大径部１０ａ、１０ｂよりも軸方向両端部側にそれぞれ小径部１１ａ、１１ｂを有しており、大径部１０ａ、１０ｂと小径部１１ａ、１１ｂとは、大径部１０ａ、１０ｂから小径部１１ａ、１１ｂに向かって縮径するテーパ面１７ａ、１７ｂを介して連続している。軸方向中間部には、第１中空軸１Ａと第２中空軸１Ｂとを接続する接続部１５を有しており、小径部１１ａ、１１ｂの両端部には、等速自在継手２、３を連結する連結部１２ａ、１２ｂが形成される。

前記連結部１２ａ、１２ｂ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１３ａ、１３ｂと、等速自在継手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１４ａ、１４ｂが形成されている。

前記のような構成を有する中空状動力伝達シャフト１の製造方法を説明する。まず、大径部１０ａと小径部１１ａとを有する第１中空軸１Ａと、大径部１０ｂと小径部１１ｂとを有する第２中空軸１Ｂとを形成する。この場合、スウェージング加工やプレス加工等の塑性加工にて成形することができる。

また、第１中空軸１Ａと第２中空軸１Ｂとを同一寸法形状とすることができる。このため、これらは同一の塑性加工用具にて成形することができる。

そして、図３のように、第１中空軸１Ａの大径部１０ａの端面１６ａと、第２中空軸１Ｂの大径部１０ｂの端面１６ｂとを接合一体化する。すなわち、図３の矢印で示すように、第１中空軸１Ａの大径部１０ａの端面１６ａを第２中空軸１Ｂの大径部１０ｂの端面１６ｂに当接させて、当接面（接合部１５）を摩擦圧接する。摩擦圧接法とは、固体同士を溶融させずに接合する直接固相接合法の一種であり、接合する部材（たとえば金属や樹脂など）を高速で擦り合わせ、そのときに生じる摩擦熱によって部材を軟化させると同時に圧力を加えて接合する方法である。この摩擦圧接法の利点としては、アーク溶接やガス溶接等と比較すると、摩擦熱以外の熱源を必要としないこと、溶接棒やフラックスが不要であること、接合時にガスやスパッタが出ないこと、比較的簡単な作業で寸法精度の高い製品が得られ、仕上げ加工を施した部材の組み立て接合が行える等が挙げられる。

また、前記第１中空軸１Ａ及び第２中空軸１Ｂの小径部１１ａ、１１ｂに高周波焼入れを施して表面硬化層を形成している。この場合、定置焼き（焼入れ用コイルを移動させない高周波焼入れ）であっても、移動焼き（焼入れ用コイルを移動させる高周波焼入れ）であってもよい。ここで、高周波焼入れとは、高周波を流すことによって、誘導体（被加工体）の表面部分に誘導電流を生じさせて発熱させ、この熱により被加工体の表面を急速に加熱して焼入れを行う方法である。

表面硬化層を形成する場合、浸炭焼入れであってもよい。ここで、浸炭焼入れとは、活性化した炭素を多く含むガス、液体、固体などの浸炭剤中で鋼を長時間加熱することにより、表面層から炭素を含浸させる処理である。なお、浸炭焼入れの際には、接合部１５近傍を防炭する必要がある。

このように、第１実施形態の中空状動力伝達シャフト１では、２つの中空軸で中空状動力伝達シャフトを形成することができるので、従来では製造が困難であった全長が中空の長物シャフトの製作が、新たな設備投資費をかけることなく可能となる。しかも、シャフト全長にわたって内部を中空とすることができるので、このシャフトを、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）等に用いれば、自動車の足回りの軽量化、捩り剛性やＮＶＨ特性の向上に寄与することができる。

前記各端面間の接合を摩擦圧接とすることにより、良好な接合を得ることができるとともに、接合時間を短くできる。このため、各軸を高強度に一体接合することができ、しかも、自動化や大量生産に有利である。

前記各軸１Ａ、１Ｂを、スウェージング加工やプレス加工等の塑性加工にて成形することにより、切削加工に比べて材料費を低減することができ、シャフト１の軽量化に寄与する。

第１中空軸と第２中空軸とで２種類のものを製造する必要がなく、第１中空軸と第２中空軸を製造する際に使用する塑性加工用工具等を共用することができる。このため、塑性加工用工具の省略、および生産性の向上を図ることができ、加工費を低減することができる。

シャフト全体からみて強度的に最弱部となる小径部の強度を高めることができるので、シャフト全体が高強度となって、耐久性に優れる。

図４は、第１実施形態の変形例を示す中空状動力伝達シャフト１の一部断面図である。この第１中空軸１Ａと第２中空軸１Ｂとは、それぞれ、小径部１１ａ、１１ｂと大径部１０ａ、１０ｂとの間に中径部２０ａ、２０ｂが形成されている。

大径部１０ａ、１０ｂと中径部２０ａ、２０ｂとは、軸方向両端部に向かって縮径するテーパ面２３ａ、２３ｂを介して連続しており、中径部２０ａ、２０ｂと小径部１１ａ、１１ｂとは、大径部１０ａ、１０ｂから中径部２０ａ、２０ｂに向かって縮径するテーパ面２１ａ、２１ｂを介して連続している。

前記のような構成を有する中空状動力伝達シャフト１でも第１中空軸１Ａの大径部１０ａの端面１６ａと、第２中空軸１Ｂの大径部１０ｂの端面１６ｂとの当接面（接合部１５）を摩擦圧接により接合一体化する。

この場合、大径部１０ａ、１０ｂの径は、第一実施形態の大径部１０ａ、１０ｂの径より大きい。このため、より強度を必要とするアプリケーションにおいて、焼入れできない接合部１５の径を大きくしたり、最弱部（小径部１１ａ、１１ｂ）の肉厚を増やす場合に適用することができる。なお、図４に示す中空状動力伝達シャフト１において、図２に示す中空状動力伝達シャフトと同様の構成については、図２と同一符号を付してその説明を省略する。

次に、図５は第２実施形態を示し、小径部１１ａ、１１ｂと、大径部１０ａ、１０ｂとを有する第１中空軸１Ａ及び第２中空軸１Ｂを備え、第１中空軸１Ａの大径部１０ａと第２中空軸１Ｂの大径部１０ｂとの間に、全長にわたって中空の中間大径軸２４を配設して、各大径部１０ａ、１０ｂの端面とこれに対面する中間大径軸２４の各端面とを接合一体化したものである。

すなわち、第１中空軸１Ａの大径部１０ａの端面１６ａを、中間大径軸２４の一端面に当接させるとともに、第２中空軸１Ｂの大径部１０ｂの端面１６ｂを、中間大径軸２４の他端面に当接させて、当接面（接合部２５ａ、２５ｂ）をそれぞれ摩擦圧接する。

このため、第２実施形態の中空状動力伝達シャフトでは、前記第１実施形態と同様の作用効果を奏する。特に、第１中空軸１Ａの大径部１０ａと第２中空軸１Ｂの大径部１０ｂとの間に中間大径軸２４を配設しているので、中空状の動力伝達シャフト１を３つの中空軸で構成することになる。これにより、さらに長物の中空シャフトを構成することができ、シャフト全長にわたって内部を中空とすることができる。なお、図５に示す中空状動力伝達シャフトにおいて、図２に示す中空状動力伝達シャフトと同様の構成については、図２と同一符号を付してその説明を省略する。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、各軸の接合方法としては、摩擦接合以外の接合方法、例えばアーク溶接、ティグ溶接、ミグ溶接、マグ溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接、ガス溶接等であってもよい。また実施形態では、第１中空軸１Ａと第２中空軸１Ｂの小径部１１ａ、１１ｂにのみ硬化層を形成したが、全体的に高周波焼入れを施してもよい。また、第１中空軸１Ａと第２中空軸１Ｂとが同一同形状でなくてもよい。

自動車の動力伝達機構を示す側面図である。 本発明の第１の実施の形態を示す中空状動力伝達シャフトの一部断面図である。 前記中空状動力伝達シャフトの第１中空軸と第２中空軸との接合前の状態を示す一部断面図である。 前記中空状動力伝達シャフトの変形例を示す一部断面図である。 本発明の第２の実施の形態を示す中空状動力伝達シャフトの一部断面図である。 従来の自動車の動力伝達機構を示す側面図である。 従来のシャフトの一部断面図である。 従来の他のシャフトの一部断面図である。 従来のさらに他のシャフトの一部断面図である。

符号の説明

１ シャフト
１Ａ 第１中空軸
２Ａ 第２中空軸
１０ａ、１０ｂ 大径部
１１ａ、１１ｂ 小径部
１６ 大径部端面
２４ 中間大径軸

Claims (6)

1. 小径部と大径部とを有する第１中空軸及び第２中空軸を備え、
   前記第１中空軸と前記第２中空軸とをそれぞれ全長にわたって中空として、第１中空軸の大径部の端面と第２中空軸の大径部の端面とを接合一体化し、軸方向中間部に前記大径部を配設するとともに軸方向端部に前記小径部を配設したことを特徴とする中空状動力伝達シャフト。
2. 小径部と大径部とを有する第１中空軸及び第２中空軸を備え、
   前記第１中空軸と前記第２中空軸とをそれぞれ全長にわたって中空として、第１中空軸の大径部と第２中空部の大径部との間に全長にわたって中空の中間大径軸を配設して、各大径部の端面とこれに対面する中間大径軸の各端面とを接合一体化し、軸方向中間部に前記中間大径軸を配設するとともに軸方向端部に前記小径部を配設したことを特徴とする中空状動力伝達シャフト。
3. 前記各端面間の接合を摩擦圧接としたことを特徴とする請求項１又は請求項２の中空状動力伝達シャフト。
4. 前記各軸を塑性加工にて成形したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかの中空状動力伝達シャフト。
5. 前記第１中空軸と第２中空軸とを同一寸法形状としたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかの中空状動力伝達シャフト。
6. 前記第１中空軸及び前記第２中空軸の小径部に高周波焼入れを施して表面硬化層を形成したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかの中空状動力伝達シャフト。

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