JP4858513B2 - 差動装置の接合方法、及び接合補助具 - Google Patents

Description

本発明は、リングギアをデフケースに溶接して接合する技術に関する。

自動車の駆動機構に用いられるデフギア（differential gear）は、自動車の駆動輪を繋ぐシャフトに用いられ、自動車がカーブを曲がるときに内輪と外輪の速度差を吸収する差動装置の１つである。
簡単に構造を説明すると、デフギアは、デフケースの外側に保持されるリングギアと、デフケース内部に設けられ、デフケースに取り付けられたピニオンギア、そしてピニオンギアと噛み合う車軸に取り付けられたギアよりなる。
そして、自動車のエンジン等が発生する駆動力はデフケースに接合されるリングギアに伝達され、デフケースに取り付けられたピニオンギアにより車軸に取り付けられたギアを回転することで車軸に動力を伝える。

この他、自動車に用いられる差動装置としてはＬＳＤと呼ばれる一方の車輪が無負荷状体の時に車軸を空転させてしまうデフギアの欠点を補った物も存在するが、デフケースの外側にリングギアを用いるという点では同じ構造となる。
そして、この差動装置に備えるデフケースにリングギアを接合する方法は、従来ではボルトを用いて締結する方法が採られてきた。
しかし、このボルトでの締結方法を用いると、ボルトの重量やボルトで締結する為に必要な肉厚等を必要とするので、重量が増加する問題がある。

そこで、デフケースとデフギアの接合をボルトによる締結によらない方法も検討されている。
特許文献１には、摩擦圧接部材およびこれを備えた差動装置の発明が開示されている。
デフケースとリングギアとにそれぞれ面で接触する圧接部を備え、デフケースに対してリングギアをこの圧接部同士が当接するように回転を発生させることで、摩擦熱により圧接部が加熱され、圧接部同士が摩擦圧接される。こうして、デフケースとリングギアが一体化されるため、ボルトで締結する必要がなくなり、軽量化を図ることができる。

また、特許文献２には、トルク伝達部材の接合構造及びトルク伝達部材の接合方法及びこれらを用いた動力伝達装置についての発明が開示されている。
浸炭鋼製のリングギアとＦＣＤ製のデフケースとを溶接ワイヤを用いてＣＭＴ溶接を行うことで接合する構成となっている。こうすることで、リングギアに伝わった動力をデフケースに伝達することが可能となる。また、溶接することで、ボルトで締結する必要がなくなり、軽量化を図ることができる。

特開２００５−８１３５１号公報 特開２００７−１７０６２２号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２には以下に説明する課題があると考えられる。
特許文献１及び特許文献２では、何れもデフケースにリングギアを溶接する手法を用いている。しかし、特許文献１では摩擦圧接する際に強度を確保するために圧接部の表面加工を必要とする。このため、摩擦圧接する際にリングギアをデフケースに対して均等に力を加えて精度良く回転させないと、均等に摩擦圧接させることが難しいと考えられる。
また、特許文献２ではＣＭＴ溶接を行うことでリングギアとデフケースを接合しているが、溶接精度を高める手法については具体的に言及されていない。

デフケースとリングギアとを溶接した場合、溶接後のデフケースが振れなく回転する必要がある。デフケースの振れは自動車の静粛性や振動、及びデフギア等の寿命などに影響するため、極力振れが少なくなることが望ましい。

そこで、本発明はこのような課題を解決するために、デフケースとリングギアの溶接において溶接精度を向上させることが可能な差動装置の接合方法、及び接合補助具を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明による差動装置の接合方法は以下のような特徴を有する。
（１）デフケースのフランジ部の位置まで圧入されたリングギアを、前記フランジ部の反対側から挿入したリングギアガイドと前記フランジ部とで挟持した状態で、それらをスラストベアリング及びラジアルベアリングを介して前記デフケースの軸方向両側から一対の挟持部材で挟持し、前記一対の挟持部材の一方を所定の加工設備に固定すると共に、前記一対の挟持部材の他方側から軸方向に加圧し、前記リングギアと前記デフケースとを一定速度で回転させながら溶接することを特徴とする。

（２）（１）に記載の差動装置の接合方法において、
前記一対の挟持部材は押圧治具と保持治具と、前記押圧治具と前記保持治具を接続する接続部材と、を備え、前記一対の挟持部材で、前記デフケース及び前記リングギアを挟持した後、前記押圧治具に備える加圧手段によって、前記デフケースの前記フランジ部を加圧しながら、前記リングギアと前記デフケースとを溶接することを特徴とする。

また、前記目的を達成するために、本発明による接合補助具は以下のような特徴を有する。
（３）デフケースを保持する一対の挟持部材は、押圧治具と保持治具とを備え、
前記押圧治具は、前記デフケースを加圧する為の加圧手段と、前記加圧手段の押圧力を前記デフケースのフランジ部に均等に伝える為のケース押さえ部材と、を有し、
前記保持治具は、前記デフケースを受けるリングギアガイドを有し、
前記デフケースと前記デフケースの外周に前記フランジ部と接するように挿入されたリングギアとを、前記一対の挟持部材でスラストベアリング及びラジアルベアリングを介して前記デフケースの軸方向両側から挟持することを特徴とする。

このような特徴を有する本発明による差動装置の接合方法により、以下のような作用、効果が得られる。
まず、（１）に記載される発明は、デフケースのフランジ部の位置まで圧入されたリングギアを、フランジ部の反対側から挿入したリングギアガイドとフランジ部とで挟持した状態で、それらをスラストベアリング及びラジアルベアリングを介してデフケースの軸方向両側から一対の挟持部材で挟持し、一対の挟持部材の一方を所定の加工設備に固定すると共に、一対の挟持部材の他方側から軸方向に加圧し、リングギアとデフケースとを一定速度で回転させながら溶接するものである。

デフケースのフランジ部の位置まで圧入されたリングギアを溶接する際には、一対の挟持部材でリングギアガイドとフランジ部とを挟持した状態で行う。
一対の挟持部材にはスラストベアリングとラジアルベアリングとを備えているので、デフケースとリングギアは同軸度を保ちながら一定速度で回転され、精密に溶接することが可能となる。
加工設備で溶接するにあたり、例えばビーム溶接を用いた場合には、焦点距離が重要になる。したがって、デフケースのフランジ部とリングギアの当接面の外周部が同軸度を保ちながら回転することで、溶接精度を高めて溶接不良の低減に貢献することが可能となる。

次に、（２）に記載される発明は、（１）に記載の差動装置の接合方法において、一対の挟持部材は押圧治具と保持治具と、押圧治具と保持治具を接続する接続部材と、を備え、一対の挟持部材で、デフケース及びリングギアを挟持した後、押圧治具に備える加圧手段によって、デフケースのフランジ部を加圧しながら、リングギアとデフケースとを溶接するものである。
リングギアをリングギアガイドで受け、デフケースのフランジ部を加圧手段にて加圧しながら溶接することで、溶接精度を高めることが可能となる。

また、このような特徴を有する本発明による接合補助具により、以下のような作用、効果が得られる。
まず、（３）に記載される発明は、デフケースを保持する一対の挟持部材は、押圧治具と保持治具とを備え、押圧治具は、デフケースを加圧する為の加圧手段と、加圧手段の押圧力をデフケースのフランジ部に均等に伝える為のケース押さえ部材と、を有し、保持治具は、デフケースを受けるリングギアガイドを有し、デフケースとデフケースの外周にフランジ部と接するように挿入されたリングギアとを、一対の挟持部材でスラストベアリング及びラジアルベアリングを介してデフケースの軸方向両側から挟持するものである。
このような接合治具を用いてデフケースとリングギアを挟持し溶接することで、デフケースとリングギアとの溶接精度を高めることができ、溶接浮浪の低減に貢献することが可能となる。

まず、本発明の実施形態の構成について説明する。
図１に、本実施形態のデフケースとリングギアの略式断面図を示す。
デフケース１０は、自動車に用いられる差動装置１５のケースであり、アルミニウムや鉄を材料として鋳造して作られる。デフケース１０の端部には第１ベアリング接続部１０ａと第２ベアリング接続部１０ｂが形成され、デフケース１０の外周部にはフランジ部１０ｃが形成されている。第１ベアリング接続部１０ａ及び第２ベアリング接続部１０ｂはデフケース１０を支える為のベアリングが嵌め込まれるため、同軸度が取れるように精密に機械加工され、この外周部分がデフケース１０の基準面とされている。

デフケース１０に形成されるフランジ部１０ｃに当接するようにリングギア１１が取り付けられている。リングギア１１は傘歯歯車であり、リングギア１１の当接面１１ａがフランジ部当接面１０ｄに当接した状態で、溶接されてデフケース１０とリングギア１１は接合される。リングギア１１には歯部１１ｂが形成されており、自動車の動力が伝達される。
なお、図１に示す差動装置１５は簡略化して示す目的で差動装置１５の内部のギアを省略している。よって、デフケース１０の断面は実際には図１とは異なるが、本実施形態ではデフケース１０とリングギア１１の関係さえ分かれば良いので、このような表現となっている。

図２に、デフケースとリングギアの接合部分の拡大図を示す。図１に示す部分Ａの拡大図である。
デフケース１０とリングギア１１は、フランジ部当接面１０ｄと当接面１１ａとが当接し、ケース嵌合部１０ｅとギア嵌合部１１ｃが勘合した状態で、レーザー溶接によって接合される。したがってフランジ部当接面１０ｄと当接面１１ａとの当接面を跨いだ状態で溶接部１２が形成される。
このようにデフケース１０とリングギア１１が溶接されることで、ボルトで結合している場合に比べて、差動装置１５の軽量化を図ることが可能となる。デフケース１０とリングギア１１の締結にボルトを用いる場合は、ボルトを止めるネジ穴を形成する必要があるため、デフケース１０もリングギア１１も肉厚にする必要があるが、そういった肉厚にする部分を削ることができ、ボルトを用いる必要もない為、軽量化に繋がる。

図３に、溶接治具の断面図を示す。
図４に、溶接治具とデフケースを分解した様子を表す断面図を示す。
接合補助具となる溶接治具２０は、押圧治具２１と接続ポスト２２と保持治具２３を備えている。押圧治具２１と保持治具２３を接続する接続部材である接続ポスト２２は、両側にネジ穴が設けられており、ボルトで押圧治具２１と保持治具２３とに固定されている。
保持治具２３には回転保持部材２５がスラストベアリング４１とラジアルベアリング４２を介して取り付けられている。スラストベアリング４１とラジアルベアリング４２については予圧がかけられた精度の良いものを使用している。
保持治具２３は接続ボス２８に取り付けられ、接続ボス２８を介して溶接治具２０は回転テーブル５１に接続される。回転テーブル５１は回転装置５０に設けられており、一定速度で回転可能な構成となっている。回転保持部材２５と接続ボス２８はピン２９が打ち込まれて一緒に回転するように構成されている。

回転保持部材２５にはリングギアガイド２４が取り付けられている。そして、回転保持部材２５には第１保持穴２５ａが設けられている。第１保持穴２５ａはデフケース１０の第１ベアリング接続部１０ａが挿入される穴である。第１ベアリング接続部１０ａと第１保持穴２５ａは嵌合可能な寸法となっている。
リングギアガイド２４は円筒状の部材であり、リングギア１１を面で受けるような形状となっている。

押圧治具２１には、押圧ボルト３０が挿入されている。押圧ボルト３０は、押圧治具２１にネジ溝が切られていることで、ケース上部押圧治具２６及び受圧部材２７を加圧することができる。
ケース上部押圧治具２６と受圧部材２７はスラストベアリング４１及びスラストベアリング４１を介して固定されており、ケース上部押圧治具２６に設けられる第２保持穴２６ａによって、デフケース１０の第２ベアリング接続部１０ｂを保持する機構となっている。
また、ケース上部押圧治具２６には加圧ボルト３１が複数本備えられており、押圧ボルト３０の加圧力は主に加圧ボルト３１によりデフケース１０に伝えられる設計となっている。この加圧ボルト３１は、デフケース１０のフランジ部１０ｃを押圧し、リングギアガイド２４の延長線上に配置されている。

溶接治具２０の設計上で重要な点は、溶接治具２０の回転中心ＣＬに対して、デフケース１０の回転中心が一致することである。したがって、回転保持部材２５の第１保持穴２５ａ、及びケース上部押圧治具２６の第２保持穴２６ａの中心は回転中心ＣＬに一致するように設計されている。
図５に、溶接装置の模式図を示す。
溶接装置６０は、回転装置５０とそれに取り付けられた溶接治具２０、及びレーザー溶接装置５２よりなる。
回転装置５０は回転テーブル５１を一定速度で回転させる機能を有しており、溶接治具２０を取り付けた状態で、デフケース１０及びリングギア１１を一定速度で回転させることができる。回転速度は設定を変更可能なものを用意しておくことが好ましい。

レーザー溶接装置５２はレーザー溶接のヘッドであり、詳細は省略している。本発明の実験にあたってはＹＡＧレーザーを使用したが、特にこれに限定されるものではない。必要に応じて別の方式のレーザーを用いても良いし、電子ビーム溶接を採用しても良い。
なお、出願人はレーザー溶接の他に、電子ビーム溶接、アーク溶接、ＦＳＷ、ロウ付けなどの接合方法を試しているが、レーザー溶接が最も良い結果が得られたので、実施例ではレーザー溶接を用いた例を紹介している。

本実施形態は上記構成であるので、以下に説明するような作用を示す。
まずデフケース１０にリングギア１１が組み付けられる。リングギア１１はギア嵌合部１１ｃの内径がデフケース１０のケース嵌合部１０ｅの外径よりも小さく形成されることで、締まり嵌め状態でデフケース１０にリングギア１１が嵌合する。
その後、デフケース１０は図４に示すように溶接治具２０に固定される。デフケース１０が溶接治具２０に固定された状態で、押圧ボルト３０を締め付け、加圧ボルト３１によってデフケース１０のフランジ部１０ｃを均等に加圧する。この結果、フランジ部１０ｃとリングギア１１は加圧ボルト３１とリングギアガイド２４とで挟まれた状態となる。

加圧ボルト３１によるフランジ部１０ｃへの加圧力は２ｔ程度に設定されている。なお、押圧ボルト３０で加圧できる加圧力は０〜１０ｔ程度としているが、適宜変更して構わない。
デフケース１０の第１ベアリング接続部１０ａ及び第２ベアリング接続部１０ｂの先端部分は、それぞれケース上部押圧治具２６の第２保持穴２６ａと回転保持部材２５の第１保持穴２５ａとは当接しないように数ｍｍ程度のクリアランスが設けられているので、フランジ部当接面１０ｄと当接面１１ａは加圧された状態で当接することになる。
したがって、一対の挟持部材は押圧治具２１に備えられるケース上部押圧治具２６及びそれに備えられた加圧ボルト３１と、保持治具２３に備えられた回転保持部材２５及びリングギアガイド２４とよりなり、デフケース１０及びリングギア１１を支持している。

このように１０及びリングギア１１が溶接治具２０に保持され、回転装置５０によって一定速度で回転させられる。そしてその状態で、レーザー溶接装置５２によりデフケース１０とリングギア１１は溶接される。
回転テーブル５１は回転装置５０によって数ｒｐｍ程度の低速で、一定速度で回転すると、回転テーブル５１に接続される回転保持部材２５と、回転保持部材２５に接続されるリングギアガイド２４、及び受圧部材２７に回転可能に保持されるケース上部押圧治具２６が回転し、デフケース１０とリングギア１１もそれに連れて回転する。
一方、押圧治具２１、接続ポスト２２、及び保持治具２３には直接的に回転力は伝わらず、スラストベアリング４１及びラジアルベアリング４２を介して若干力が伝達される。しかし、固定されたレーザー溶接装置５２で一点にレーザーを照射している為、接続ポスト２２がレーザー溶接装置５２を横切ることがないように押圧治具２１又は保持治具２３には図示しないステーが取り付けられて回転しないように固定されている。
このようにして、デフケース１０とリングギア１１はレーザー溶接されて一体化する。

本実施形態は上記構成で上記作用を示すので、以下に説明するような効果を奏する。
まず、第１の効果としてリングギア１１とデフケース１０の溶接精度を向上可能である点が挙げられる。
本実施形態の差動装置１５の接合方法は、デフケース１０のフランジ部１０ｃの位置まで圧入されたリングギア１１を、フランジ部１０ｃの反対側から挿入したリングギアガイド２４とフランジ部１０ｃとで挟持した状態で、それらをスラストベアリング４１及びラジアルベアリング４２を介してデフケース１０の軸方向両側から一対の挟持部材（押圧治具２１及び保持治具２３を含む溶接治具２０）で挟持し、一対の挟持部材の一方を所定の加工設備に固定すると共に、一対の挟持部材の他方側から軸方向に加圧し、リングギア１１とデフケース１０とを一定速度で回転させながら溶接するものである。

溶接治具２０にはスラストベアリング４１とラジアルベアリング４２を用いて、ケース上部押圧治具２６及び回転保持部材２５の回転を支持しているので、溶接治具２０の加工精度が高ければ、デフケース１０を触れないように回転させることが可能となる。
出願人はスラストベアリング４１とラジアルベアリング４２の代わりにアンギュラベアリングを用いた実験も行った。しかし、アンギュラベアリングを用いて差動装置１５を溶接した場合には差動装置１５の溶接後にリングギア１１の外周の振れが大きくなり好ましくないことが分かっている。これは、アンギュラベアリングがスラストベアリング４１及びラジアルベアリング４２を用いた場合と比べてデフケース１０とリングギア１１との同軸度を出す事が容易でない事を意味する。
レーザー溶接装置５２で溶接する場合、レーザーの焦点距離は重要である。デフケース１０及びリングギア１１の当接面の外周上をレーザー溶接装置５２の焦点が移動していくことが理想であり、ブレが発生すると溶接深さが確保できずに溶接不良を発生させる虞がある。

デフケース１０とリングギア１１を接合する上で、車載された後に振動や熱が加わる部品である為、接合の確実性は要求される。更に溶接する際に歪みを偏って発生させると接合不良を引き起こす原因となる他、偏心の要因となることも考えられる。
しかし、スラストベアリング４１及びラジアルベアリング４２を用いてデフケース１０及びリングギア１１を回転させているので、３６０°同軸度を確保しながらデフケース１０及びリングギア１１を回転させることができる。また、回転テーブル５１を用いて一定速度で回転させることで、フランジ部当接面１０ｄと当接面１１ａの当接面の外周側から均一に熱を受けることとなり、溶接後の差動装置１５の振れの要因を押さえることが可能となる。

また、本実施形態の差動装置の接合方法は、溶接精度を高める為に、一対の挟持部材は押圧治具２１と保持治具２３と、押圧治具２１と保持治具２３を接続する接続ポスト２２と、を備え、一対の挟持部材で、デフケース１０及びリングギア１１を挟持した後、押圧治具２１に備える押圧ボルト３０によって、デフケース１０のフランジ部１０ｃを加圧しながら、リングギア１１とデフケース１０とを溶接する構成を採っている。
このため、リングギアガイド２４とフランジ部１０ｃでリングギア１１を挟持した状態、すなわち、加圧ボルト３１でリングギア１１を圧入した状態のデフケース１０のフランジ部１０ｃをリングギアガイド２４の方向に加圧している状態で、レーザー溶接装置５２によって溶接するため、フランジ部１０ｃのフランジ部当接面１０ｄとリングギア１１の当接面１１ａが当接した状態で溶接される。

フランジ部当接面１０ｄと当接面１１ａが加圧された状態で当接していることで、レーザー溶接装置５２で溶接する際に不要な隙間ができることを防ぐことができ、溶接精度を向上させることが可能となる。
また、ボルトでデフケース１０とリングギア１１とを締結した状態と、同様の状態を作り出すことができる為、差動装置１５の製作精度を向上させることができる。

以上、本実施形態に則して発明を説明したが、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更することにより実施することもできる。
例えば、溶接治具２０の形状など細かい部分の変更は設計事項であるので、適宜変更することを妨げない。
また、溶接方法についても特にレーザー溶接に限るものではない。出願人はレーザー溶接の他に、電子ビーム溶接、アーク溶接、ＦＳＷ、ロウ付けなどの接合方法を試し、評価した。その結果、レーザー溶接がコスト面を除いて良好であった。この他アーク溶接も比較的良好な結果を示している。本発明の溶接治具２０は、レーザー溶接に限らず他の溶接方法にも流用できるので、それを妨げるものではない。

また、本実施形態では、押圧ボルト３０によりデフケース１０のフランジ部１０ｃを押さえる例を示したが、油圧、エア圧、モータ駆動等によるボールネジ機構等を利用して加圧することも考えられる。このようなデフケース１０及びリングギア１１への加圧機構の変更も妨げない。

本実施形態の、デフケースとリングギアの略式断面図である。 本実施形態の、デフケースとリングギアの接合部分の拡大断面図である。 本実施形態の、溶接治具の断面図である。 本実施形態の、溶接治具とデフケースを分解した様子を表す断面図である。 本実施形態の、溶接装置の模式図である。

符号の説明

１０ デフケース
１０ａ 第１ベアリング接続部
１０ｂ 第２ベアリング接続部
１０ｃ フランジ部
１０ｄ フランジ部当接面
１０ｅ ケース嵌合部
１１ リングギア
１１ａ 当接面
１１ｂ 歯部
１１ｃ ギア嵌合部
１２ 溶接部
１５ 差動装置
２０ 溶接治具
２１ 押圧治具
２２ 接続ポスト
２３ 保持治具
２４ リングギアガイド
２５ 回転保持部材
２５ａ 第１保持穴
２６ ケース上部押圧治具
２６ａ 第２保持穴
２７ 受圧部材
２８ 接続ボス
２９ ピン
３０ 押圧ボルト
３１ 加圧ボルト
４１ スラストベアリング
４２ ラジアルベアリング
５０ 回転装置
５１ 回転テーブル
５２ レーザー溶接装置
６０ 溶接装置
ＣＬ 回転中心

Claims (3)

1. デフケースのフランジ部の位置まで圧入されたリングギアを、前記フランジ部の反対側から挿入したリングギアガイドと前記フランジ部とで挟持した状態で、
   それらをスラストベアリング及びラジアルベアリングを介して前記デフケースの軸方向両側から一対の挟持部材で挟持し、
   前記一対の挟持部材の一方を所定の加工設備に固定すると共に、前記一対の挟持部材の他方側から軸方向に加圧し、
   前記リングギアと前記デフケースとを一定速度で回転させながら溶接することを特徴とする差動装置の接合方法。
2. 請求項１に記載の差動装置の接合方法において、
   前記一対の挟持部材は押圧治具と保持治具と、前記押圧治具と前記保持治具を接続する接続部材と、を備え、
   前記一対の挟持部材で、前記デフケース及び前記リングギアを挟持した後、
   前記押圧治具に備える加圧手段によって、前記デフケースの前記フランジ部を加圧しながら、前記リングギアと前記デフケースとを溶接することを特徴とする差動装置の接合方法。
3. デフケースを保持する一対の挟持部材は、押圧治具と保持治具とを備え、
   前記押圧治具は、前記デフケースを加圧する為の加圧手段と、前記加圧手段の押圧力を前記デフケースのフランジ部に均等に伝える為のケース押さえ部材と、を有し、
   前記保持治具は、前記デフケースを受けるリングギアガイドを有し、
   前記デフケースと前記デフケースの外周に前記フランジ部と接するように挿入されたリングギアとを、前記一対の挟持部材でスラストベアリング及びラジアルベアリングを介して前記デフケースの軸方向両側から挟持することを特徴とする接合補助具。

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