JP2000097244A

JP2000097244A - 動力伝達機構

Info

Publication number: JP2000097244A
Application number: JP11197726A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Makino; 弘昭牧野; Kazuhiro Muramatsu; 和宏村松; Kazuhiko Yoshida; 和彦吉田; Akira Wakita; 明脇田; Katsuyuki Ikei; 勝幸池井; Hisaaki Kura; 久昭藏
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1998-07-22
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2000-04-04
Anticipated expiration: 2019-07-12
Also published as: JP4271301B2

Abstract

(57)【要約】【課題】コストアップを招くことなく、スプライン軸
やセレーション軸の静的強度および疲労強度の向上を達
成可能とする。【解決手段】軸部材１と軸部材１の外周側に配置した
外周部材２は、軸部材１側の歯31と外周部材２側の歯32
とを嵌合させたスプライン３で結合される。スプライン
３の軸方向一端側では、軸部材１側の歯31の谷部31を拡
径させて拡径領域Ｓ１を形成し、この拡径領域Ｓ１内
に、軸部材１側の歯31と外周部材２側の歯32との嵌合部
Ｆを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二部材間で回転ト
ルクの伝達を行う動力伝達機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】動力（トルクまたは回転）を伝達する伝
動軸は、自動車や産業機械等の多くの機械部品に使用さ
れている。軸には中実や中空のものがあり、これらはバ
ー材やパイプ材に直接切削や塑性加工を加えたり、ある
いは近年、粉末を焼結処理することよって製造される場
合もある。

【０００３】高トルクを伝達するスプライン軸やセレー
ション軸は、一般に塑性加工性や機械加工性およびコス
トを考慮し、中炭素鋼や低合金鋼（肌焼鋼、窒化用鋼
等）に、浸炭焼入れ・高周波焼入れ・窒化等の表面硬化
処理や調質等の熱処理を施し、軸強度を高めて使用され
ている。また、最近では、非調質鋼を使用して調質を廃
止したものや、さらに強度を向上させるため、高合金化
や高清浄度化（介在物の低減、Ｐの低減等）した材料の
使用や、疲労強度を向上させるためのショットピーニン
グ処理を併用したものも存在する。

【０００４】図５は、上記伝動軸を有する機械部品の一
例で、自動車のドライブシャフトに使用される等速自在
継手を示す。この等速自在継手は、軸１１の外周にスプ
ライン１３を介して内輪１２を嵌合した構造で、軸１１
のトルクはスプライン１３の凹凸嵌合を介して内輪１２
に伝達される。

【０００５】ところで、軸１１のスプライン終端側（図
中Ｃ）の形状には種々のタイプがある（「終端側」と
は、内輪１２内径部への軸１１の挿入時に、内輪１２に
最初に嵌合する軸端面を入口側とした場合の反対側をい
う）。図６乃至図９はその一例を示すもので、図６は、
スプライン１３の谷部11ａをそのまま軸１１の外周面に
抜いたタイプ（「切抜けタイプ」と仮称する）、図７乃
至図９は、スプライン谷部11ａを滑らかに拡径させて軸
１１の外周面につなげたタイプ（「切上りタイプ」と仮
称する）である。切上りタイプには、半径Ｒ１の円弧で
拡径させたもの（図７）、図７より大きい半径Ｒ２の円
弧（Ｒ２＞Ｒ１）で拡径させたもの（図８参照）、半径
ＳＲの球状に拡径させたもの（図９参照）等が知られて
いる。

【０００６】図１０は、上記軸１１と内輪１２の従来の
嵌合状況を示すもので、内輪１２のスプライン山部12ｂ
の終端側に内径を大きくした逃げ領域Ｔ’を設け、かつ
逃げ領域Ｔ’以外の山部12ｂを軸１１側の拡径領域Ｓ’
以外の谷部11ａに嵌合させて、これらの嵌合部Ｆ’（散
点模様を付している）が軸１１側の谷部11ａの拡径領域
Ｓ’に入らないようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】近年、地球環境問題が
クローズアップされるのに伴い、自動車でも排ガス規制
の強化や燃費の向上が強く求められており、その対策と
して軽量化が進められている。自動車にはトランスミッ
ション、デファレンシャル、ドライブシャフト、プロペ
ラシャフト等にスプラインやセレーション（以下、スプ
ライン軸で代表する）が多用されているが、このスプラ
イン軸の軽量化が自動車の軽量化に大きく寄与するた
め、スプライン軸の高強度化、すなわち静的強度と疲労
強度の両面での強度アップが強く要求されている。

【０００８】スプライン軸の高強度化および軽量化対策
としては、上記のような高合金化や高清浄度化が考えら
れるが、これらは材料コストの増大や加工性の大幅な低
下を伴うため、製品コスト面で得策ではない。また、シ
ョットピーニング処理は疲労強度の向上に効果がある
が、静的強度については十分な効果が認められず、高コ
ストを招く。

【０００９】スプライン軸の終端を大きな円弧で拡径さ
せたもの（図８）や球状に拡径させたもの（図９）は、
図１３の実験結果からも明らかなように、図７のタイプ
に比べ、静的強度の向上は達成されるが、疲労強度の向
上には十分な効果が認められない。また、加工工具（ホ
ブカッタ、転造ラック等）を新規に製作する必要がある
ためにコスト高である。一方、図６の切抜けタイプは、
図１２の実験結果からも明らかなように、図７の切上り
タイプに比べて静的強度および疲労強度の両面で劣るた
め、軽量化対策には不向きである。

【００１０】以上のように従来の軽量化対策は、コスト
面若しくは強度面の何れかで課題があり、これらを両立
させたものは見受けられないのが実状である。

【００１１】そこで、本発明はコストアップを招くこと
なく、スプライン軸やセレーション軸の静的強度および
疲労強度の向上を達成可能とすることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】谷部を円弧で拡径させた
図７のタイプのスプライン軸（諸元は図１４参照）に内
輪のボス部を嵌合し、これを捩り試験に供試して破壊モ
ードを鋭意解析した結果、図１１に示すように、破面は
二つの主破面Ａ、Ｂから構成され、軸１１側の谷部11ａ
の底に沿った破面（Ａ：軸方向破断面）と、軸方向に対
して４５°傾いた破面（Ｂ：主応力破面）からなること
がわかった。軸方向破断面Ａは軸方向に作用するせん断
力によるせん断破面で、主応力破面Ｂは捩りの主応力に
よる引張り破面であると考えられる。

【００１３】次に、ボスの嵌合位置を軸方向に段階的に
ずらし、各位置でスプライン軸の強度を測定したとこ
ろ、図１５（Ａ）に示す結果を得た。同図の横軸はボス
の嵌合位置Ｘ［mm］を、縦軸左は、疲労破断に至るまで
の繰り返し数の比率Ｙ１（負荷せん断応力は±６６５Ｍ
Ｐａ［６７．８kgf ／mm²］に設定した）を、縦軸右
は、捩り破断強度の増加率Ｙ２［％］をそれぞれ表わ
す。ここで横軸のＸは、同図（Ｂ）に示すように軸１１
の谷部11ａの終端部11a1から、ボス１２の山部12ｂ終端
に形成された立ち上り部12b1の外周面が軸１１の外周レ
ベルＬと交差する点（●）までの距離を表わす。測定
は、Ｘ＝ａ、ｂ、…ｅの各位置で行い、繰返し数の比率
Ｙ１および増加率Ｙ２は、ａ位置（Ｘ＝６ｍｍ）を基準
（Ｙ１＝１、Ｙ２＝０）とした。また、図１５（Ａ）中
の（２）、（４）、（６）、（10）、および（12）は、
それぞれ軸方向せん断亀裂の長さ［mm］を表わす。

【００１４】図１５（Ａ）から、ボスの嵌合位置が軸１
１の終端側（図面左）に近づくほど、軸方向せん断破面
（軸方向せん断亀裂）は減少し、強度が増加することが
判明した。これは、捩り試験中にボスと嵌合していない
スプライン（非嵌合部）が局所的に捩られるが、非嵌合
部の長さが減少すると局所的な捩れが減少し、非嵌合部
の軸側谷部に作用するせん断応力が減少するためと考え
られる。

【００１５】また、図１５（Ａ）から、静的強度および
疲労強度は、ボスの嵌合位置がスプライン軸の終端直前
の特定位置に達してから急激に増大することがわかる。
疲労強度が急激に増加する臨界位置は、同図（Ｂ）中の
ｂ点とｃ点との間の領域に存在するが、この領域は、ボ
スの山部12ｂ終端の立ち上り部12b1が、軸１１の谷部11
ａの拡径領域Ｓ’と交差し始める位置（山部12ｂの立ち
上り部12b1が拡径領域Ｓ’中の谷部11ａと嵌合し始める
位置）に概ね一致する。これは、前述した非嵌合部の歯
底部のせん断応力の減少に加え、拡径領域Ｓ’では谷部
11ａが拡径することにより歯底径が増加してこの部分で
の応力が減少するためと考えられる。

【００１６】本発明は以上の考察に基いてなされたもの
で、軸部材と軸部材の外周側に配置した外周部材とが、
軸部材側の歯と外周部材側の歯との嵌合により、相互に
トルク伝達可能に結合され、少なくとも軸方向一端側
で、軸部材側の歯の谷部を拡径させたものにおいて、上
記谷部の拡径領域内に、軸部材側の歯と外周部材側の歯
との嵌合部を有する動力伝達機構を提供するものであ
る。この場合、軸部材と外周部材とはスプラインまたは
セレーションで結合される。

【００１７】上記谷部の拡径領域中で、軸部材側の歯の
谷部と外周部材側の歯の山部とを接触させておけば、嵌
合部の面積が十分に確保され、強度の大幅な向上が達成
される。この場合、軸部材側の歯の谷部と接触する外周
部材側の歯の山部に、円弧状のチャンファ部を設けてお
けば、拡径領域中で両者を面接触させることができ、嵌
合部の面積拡大によりさらなる強度アップを図ることが
できる。

【００１８】また、上記谷部の拡径領域の大径端（終端
部）に、外周部材側の歯の山部を接触させてもよく、こ
れより嵌合部の面積が十分に確保され、軸強度の大幅な
向上が達成される。この場合、外周部材のガタ止めとし
て、外周部材の軸方向他端側への移動を防止する拘束手
段を具備させるのが望ましい。

【００１９】拘束手段は、外周部材を軸方向一端側に押
圧する押圧手段や、軸部材側の歯と外周部材側の歯とを
円周方向で相互に圧接させる圧接手段で構成することが
できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１乃
至図２２に基いて説明する。

【００２１】図１に示すように、本発明にかかる動力伝
達機構は、軸部材１と軸部材１の外周に配置したボス等
の外周部材２とを、軸部材１側の歯31と外周部材２側の
歯32とを嵌合させたスプライン３（セレーションでもよ
い）で結合させたものである。歯31、32は、軸方向に沿
って延びている。

【００２２】軸部材１の外周部に設けられた歯31の谷部
31ａおよび山部31ｂのうち、谷部31ａの終端側（図１右
側）は、円弧状に滑らかに拡径する拡径領域Ｓ１を有
し、拡径領域Ｓ１の終端部31a1（大径端）では当該谷部
31ａが軸部材１の平滑部１ａ（セレーション３の終端側
に隣接して形成される）の外周面につながっている。一
方、軸部材１側の山部31ｂの終端は、僅かに縮径して谷
部31ａの終端部31a1と同一箇所で軸部材１の平滑部１ａ
外周面につながっている。軸部材１の強度面を考慮する
と、平滑部１ａの外径は、山部31ｂの外径寸法と等しく
するか若しくはこれに近似させておくのが望ましい。拡
径領域Ｓ１の谷部31ａは、円弧のみで形成する他、図２
に示すように、円弧と直線の組合わせにしてもよい（円
弧を入口側に配置する）。

【００２３】外周部材２は、終端側の内径端を軸部材１
の外周に形成された肩部１ｂに当接させ、かつ入口側
（図面左側）の内径端を止め輪（１４：図５参照）で係
止することによって軸部材１に対して位置決めされる。
外周部材２の内周部に形成された歯32（ハッチングで表
わす）の谷部32ａおよび山部32ｂのうち、谷部32ａは、
同径のまま外周部材２の終端までストレートに形成され
る。一方、山部32ｂの終端側は、傾斜した立ち上り部32
b1を介し、入口側よりも内径を大きくした逃げ領域Ｔに
なっている。逃げ領域Ｔの内径は、軸部材１の平滑部１
ａの外径よりも大きく、軸部材１側の肩部１ｂの外径よ
りも小さい。

【００２４】本発明では、軸部材１側の歯31と外周部材
２側の歯32との嵌合部Ｆ（散点模様で表わす）をスプラ
イン有効領域Ｓ２（拡径領域Ｓ１を除く谷部をいう）の
みならず、谷部31ａの拡径領域Ｓ１にも設け、両歯31、
32を拡径領域Ｓ１中で互いに円周方向で接触させること
とした。これは、図１０に示す従来品が、拡径領域Ｓ’
を避けて嵌合部Ｆ’を設けていたのと著しい対照をな
す。

【００２５】かかる構成から、上記の理由により軸部材
１の静的強度および疲労強度を向上させることができ
る。強度向上のためには、外周部材２の軸部材１に対す
る嵌合位置をできるだけ終端側とするのがよく、従っ
て、図１に示すように、軸部材１側の歯31の谷部31ａと
外周部材２側の歯32の山部32ｂとを拡径領域Ｓ１中で接
触させておくのが好ましい。この場合、図３に示すよう
に、谷部31ａと接触する外周部材２側の山部32ｂの立ち
上り部32b1に円弧状のチャンファ（半径ｒ）を設けてお
けば、嵌合部Ｆの面積の拡大によるさらなる強度アップ
が図れる。

【００２６】軸部材１には、表面硬化処理、例えば高周
波焼入れを施すのが好ましい。その場合、図４（Ａ）か
らも明らかなように表面硬さは硬い方が望ましく、使用
する材料の最高硬さを狙うことが望ましい。また、焼入
れ深さは硬化比（有効深さまでの深さ／軸半径）で０．
５付近を狙うのが望ましい（図４（Ｂ）参照）。

【００２７】この他、軸部材１にショットピーニング処
理を施して疲労強度のさらなる向上を図ってもよく、ま
た、既存の高強度化対策、例えば、図８に示すように谷
部31ａの拡径領域Ｓを大きな円弧で形成したり、あるい
は図９に示すように拡径領域Ｓの谷部31ａを球面に形成
する等の対策を併用してもよい。

【００２８】図１６は、軸部材１側の歯31のうち、谷部
31ａの拡径領域Ｓ１の終端部（大径端）31a1に、外周部
材２側の歯32の山部32ｂ、特にその終端のテーパ状の立
ち上り部32b1を接触させた例であり、図１に示す場合と
同様に軸部材１の強度（静的および疲労強度）の向上が
達成される。図１７は、外周部材２側の歯32のうち、山
部32ｂ終端の立ち上り部32b1を円弧状のチャンファと
し、かつチャンファの曲率ｒを谷部31の拡径領域Ｓ１の
曲率Ｒよりも大きくして図１６と同様に立ち上り部32b1
を谷部31ａの終端部31a1に接触させたものである。何れ
の場合も、立ち上り部32b1と終端部31a1との接触で外周
部材２が軸方向終端側に位置決めされるため、外周部材
２と軸部材１の肩部１ｂとは非接触にすることができ
る。

【００２９】上述のように外周部材２は、入口側の内径
端を止め輪14で係止することによって軸部材１に対して
固定される。この場合、加工誤差等により、図１８に示
すように外周部材２の入口側内径端と止め輪14との間に
隙間15が生じ、外周部材２が軸方向にがたつく場合があ
る。このようなガタツキがあると、図１６および図１７
に示す構造においてＸ＝０を保持することができず、軸
強度にバラツキを生じる要因となる。

【００３０】これを回避するには、図１９〜図２２に示
すように、軸部材１と外周部材２との間に、外周部材２
の軸方向他端側（入口側）への移動を防止する拘束手段
16ａ、16ｂを設けるのがよい。この拘束手段16ａ、16ｂ
は、外周部材２を軸方向一端側（終端側）に押圧する押
圧手段16ａや、軸部材１側の歯31と外周部材２側の歯32
とを円周方向で相互に圧接させる圧接手段16ｂで構成す
ることができる。図１９乃至図２１は、上記押圧手段16
ａの例であり、このうち図１９は、２つの止め輪14ａ、
14ｂを圧接状態で配置し、一方の止め輪14ａを外周部材
２の抜け止め、他方の止め輪14ｂを軸部材１と外周部材
２のガタ止めとした構造（ダブルクリップ方式）、図２
０および図２１は何れも止め輪１４に変えて圧縮状態の
弾性部材17ａ、17ｂ（図２０はコイルバネ17ａを使用し
たコイルバネ方式、図２１はウェーブワッシャ17ｂを使
用したウェーブワッシャ方式）を使用し、その弾性力で
外周部材２に軸方向終端側への予圧を付与する構造を示
す。上記圧接手段16ｂとしては、図２２に示すように、
例えば、軸部材１あるいは外周部材２の歯31、32に捻れ
角θを設け（捻れ角θは誇張して描いている。また、図
面は外周部材２側の歯32の山部32ｂに捻れ角θを設けた
場合を例示する）、Ｘ＝０となるまで外周部材２に軸部
材１を圧入する構造が考えられる。

【００３１】以上の拘束手段16ａ、16ｂは、図１や図３
に示すように、軸部材１側の歯31の谷部31ａと外周部材
２側の歯32の山部32ｂとを拡径領域Ｓ１中で接触させた
場合にも同様に適用することができる（この場合、図１
６および図１７と同様に外周部材１と軸部材１の肩部１
ｂを非接触とすることができる）。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、スプラ
イン軸あるいはセレーション軸の静的強度および疲労強
度を大幅に向上させることができる。しかも、高合金鋼
や高清浄度鋼を使用する場合のように、加工性が低下し
たり、コストの増加を招く等の不具合も生じず、また、
ショットピーニング処理のような設備の導入コストの著
しい増加を招くことがない。これにより低コストにスプ
ライン軸の軽量化が可能となり、本発明では例えば１９
％の高強度化が達成され得るから、１２％の軽量化が達
成可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる動力伝達機構の軸方向の断面図
である。

【図２】本発明の他の実施形態を示す軸方向の断面図で
ある。

【図３】本発明の他の実施形態を示す軸方向の断面図で
ある。

【図４】（Ａ）図は捩り強度と捩り疲労強度に及ぼす表
面硬さの影響、（Ｂ）図は、捩り強度と捩り疲労強度に
及ぼす焼入れ深さ（硬化比）の影響の各実験データを表
わす図である。

【図５】動力伝達機構を有する等速自在継手の軸方向の
断面図である。

【図６】スプライン軸の終端（図５中のＣ）の形状例を
示す軸方向の断面図である。

【図７】スプライン軸の終端（図５中のＣ）の形状例を
示す軸方向の断面図である。

【図８】スプライン軸の終端（図５中のＣ）の形状例を
示す軸方向の断面図である。

【図９】スプライン軸の終端（図５中のＣ）の形状例を
示す軸方向の断面図である。

【図１０】従来の動力伝達機構の軸方向の断面図であ
る。

【図１１】スプライン軸の捩り破壊モードを示す断面図
である。

【図１２】図６と図７に示すスプライン軸の強度比較デ
ータを示す図である。

【図１３】図７タイプと図８および図９タイプの強度比
較データを示す図である。

【図１４】スプライン軸の捩り強度供試品の諸元を示す
図である。

【図１５】（Ａ）図は捩り強度試験の結果を示す図、
（Ｂ）図は（Ａ）図を説明するための動力伝達機構の拡
大断面図である。

【図１６】本発明の他の実施形態を示す軸方向の断面図
である。

【図１７】本発明の他の実施形態を示す軸方向の断面図
である。

【図１８】外周部材の固定構造を示す軸方向の断面図で
ある。

【図１９】拘束手段を示す軸方向の断面図である。

【図２０】拘束手段を示す軸方向の断面図である。

【図２１】拘束手段を示す軸方向の断面図である。

【図２２】拘束手段を示す円周方向の断面図である。

【符号の説明】

１軸部材２内輪（外周部材）３スプライン 16ａ拘束手段（押圧手段） 16ｂ拘束手段（圧接手段） 17ａコイルバネ 17ｂウエーブワッシャ 31 歯（軸部材側） 31ａ谷部（軸部材側） 31a1 終端部 31ｂ山部（軸部材側） 32 歯（外周部材側） 32ａ谷部（外周部材側） 32ｂ山部（外周部材側） 32b1 立ち上り部Ｆ嵌合部Ｌ外周レベルＳ１拡径領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉田和彦静岡県磐田市東貝塚1578番地エヌティエヌ株式会社内 (72)発明者脇田明静岡県磐田市東貝塚1578番地エヌティエヌ株式会社内 (72)発明者池井勝幸静岡県磐田市東貝塚1578番地エヌティエヌ株式会社内 (72)発明者藏久昭静岡県磐田市東貝塚1578番地エヌティエヌ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸部材と軸部材の外周側に配置した外周
部材とが、軸部材側の歯と外周部材側の歯との嵌合によ
り、相互にトルク伝達可能に結合され、少なくとも軸方
向一端側で、軸部材側の歯の谷部を拡径させたものにお
いて、上記谷部の拡径領域内に、軸部材側の歯と外周部
材側の歯との嵌合部を有する動力伝達機構。
【請求項２】軸部材の外周レベルよりも内径側に、上
記嵌合部を有する請求項１記載の動力伝達機構。
【請求項３】上記谷部の拡径領域中で、軸部材側の歯
の谷部と外周部材側の歯の山部とを接触させた請求項１
記載の動力伝達機構。
【請求項４】軸部材側の歯の谷部と接触する外周部材
側の歯の山部に、円弧状のチャンファ部を設けた請求項
３記載の動力伝達機構。
【請求項５】上記谷部の拡径領域の大径端に、外周部
材側の歯の山部を接触させた請求項１記載の動力伝達機
構。
【請求項６】外周部材の軸方向他端側への移動を防止
する拘束手段を具備する請求項３または５記載の動力伝
達機構。
【請求項７】拘束手段が、外周部材を軸方向一端側に
押圧する押圧手段で構成されている請求項６記載の動力
伝達機構。
【請求項８】拘束手段が、軸部材側の歯と外周部材側
の歯とを円周方向で相互に圧接させる圧接手段で構成さ
れている請求項６記載の動力伝達機構。
【請求項９】軸部材と外周部材とがスプラインまたは
セレーションで結合されている請求項１乃至８記載の動
力伝達機構。