JP2002349538A - 動力伝達シャフト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 動力伝達シャフトの強度を向上させると共に
安定した捩り疲労強度を確保することにある。 【解決手段】 鋼製素管から塑性加工により成形され、
パイプ部１ａの両端部に軸部１ｂを一体に有する動力伝
達シャフト１において、その内径面１ｃが高周波焼入れ
・焼戻し処理により硬化処理され、前記内径面１ｃの表
層部硬度をロックウェル硬さＨＲＣ３５以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は動力伝達シャフトに
関し、例えば、自動車の動力伝達系の一部を構成するド
ライブシャフト（駆動軸）やプロペラシャフト（推進
軸）に使用される動力伝達シャフトに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の動力伝達系を構成するシャフト
には、エンジンと車輪軸受装置を繋ぐドライブシャフト
や、変速機から減速歯車装置に動力を伝達するプロペラ
シャフトがあり、いずれも軸端部に連結要素であるスプ
ライン等が設けられる。この動力伝達シャフトは、その
種類を基本構造で大別すると、中実の棒材から加工され
た中実シャフトと、鋼管などから加工された中空シャフ
トとがある。

【０００３】従来は、中実シャフトを使用していたが、
近年における自動車の高機能化や車室内の静粛性向上の
要求から、動力伝達シャフトにも、強度、耐久性のみな
らず、軽量化、コンパクト化、ＮＶＨ特性の向上など様
々な機能が必要になってきている。また、自動車の発進
時の操縦性やダイレクト感を得るために捩り剛性の向上
が必要である。捩り剛性の向上を図るためにはシャフト
径を大きくすることが考えられるが、重量増加を招来
し、連結部の削り量も増加してコストアップを招くこと
になる。さらに、自動車の走行時、エンジン振動とシャ
フトが共振して車内への騒音を招くのでそれを回避する
ために固有振動数のチューニングが必要である。固有振
動数のチューニングを図るためには動力伝達シャフトに
ダンパー等を取り付けることが考えられるが、部品点数
の増加や組み付け工数の増加などからコストアップを招
来する。

【０００４】これら機能面での必要性から、中実シャフ
トに代えて中空シャフトを多用する傾向にある。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
ャフトに大別される。一体型中空シャフトは、最外径部
を持つ中央のパイプ部と端部外周面にスプライン等の連
結部が形成された軸部とを同一素管から一体成形した構
造を有する。これに対して、接合型中空シャフトは、パ
イプ部と軸部とを別々に成形して摩擦圧接や溶接などに
より接合した構造を有する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した一
体型や接合型の中空シャフトは、中実シャフトに比べて
断面係数が減少し、中空シャフトに作用する最大剪断応
力が大きくなるため、剪断強度が低下する虞がある。ま
た、動力伝達用の一体型中空シャフトには、例えば、素
管をその軸周りに回転させながら、高速度で直径方向に
打撃して縮径させるスウェージング加工や素管をダイス
に軸方向に押し込むことで縮径させるプレス加工により
成形されたものが用いられる。このようなスウェージン
グ加工などの塑性加工により製作された中空シャフト
は、素管が縮径される際にその内径側に素材が塑性流動
することにより、内径面に加工しわが残り易い。これが
破損の起点となる虞があり、動力伝達シャフトの強度低
下を招来していた。

【０００６】そこで、本発明は前記問題点に鑑みて提案
されたもので、その目的とするところは、強度を向上さ
せると共に安定した捩り疲労強度を確保し得る動力伝達
シャフトを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の技術的手段として、本発明は、鋼製素管から塑性加工
により成形され、端部に連結要素を一体に有する動力伝
達シャフトにおいて、その内径面が硬化処理されている
ことを特徴とする。この硬化処理は、高周波焼入れ・焼
戻し処理が好適である。前記内径面の硬化処理は、高周
波誘導加熱用コイルを動力伝達シャフトの内径側に配置
することにより行うことができる。この高周波誘導加熱
用コイルを動力伝達シャフトの外径側に配置して、その
外径側から硬化処理することも可能である。前記高周波
焼入れ・焼戻し処理による硬化処理において、前記内径
面の表層部硬度がロックウェル硬さＨＲＣ３５以上であ
ることを特徴とする。ここで、表層部とは、動力伝達シ
ャフトの肉厚の例えば１／４程度をいう。

【０００８】本発明では、以上のようにして内径面が硬
化処理されていることにより、動力伝達シャフトとして
要求される硬さを満足させることができ、そのような硬
さが得られたことにより、塑性加工で内径面に生じた加
工しわが破損の起点となることがないことから、安定し
た捩り疲労強度を確保することができる。

【０００９】また、前記動力伝達シャフトの外径面に所
定の残留圧縮応力を付与すれば、その残留圧縮応力の増
大により、捩り疲労強度をより一層向上させることが可
能となる。その残留圧縮応力はショットピーニング処理
により付与することが容易である。また、その残留圧縮
応力は７５０ＭＰａ以上であることが望ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１に示す実施形態の動力伝達シ
ャフト１は、最外径部を持つ中央のパイプ部１ａと端部
外周面にスプライン等の連結部が形成された軸部１ｂと
を同一素管から一体成形した一体型中空シャフトであ
る。

【００１１】この動力伝達シャフト１は、例えば、素管
をその軸周りに回転させながら、高速度で直径方向に打
撃して縮径させるスウェージング加工などの塑性加工に
より成形される。このようなスウェージング加工などの
塑性加工により製作された動力伝達シャフト１は、素管
が縮径される際にその内径側に素材が塑性流動すること
により、内径面に加工しわができ易い。

【００１２】そこで、動力伝達シャフト１の内径面１ｃ
を高周波焼入れ・焼戻し処理により硬化処理する。前記
動力伝達シャフト１の内径面１ｃの硬化処理は、高周波
誘導加熱用コイルを動力伝達シャフト１の外径側に配置
することにより行う。この高周波焼入れ・焼戻し処理に
より、動力伝達シャフト１の外径面１ｄから内径面１ｃ
までの肉厚全体（図１におけるハッチング部分は高周波
焼入れ・焼戻しされた領域で焼き抜けた状態を示す）に
亘って硬化処理することで、動力伝達シャフト１の内径
面１ｃの表層部硬度をロックウェル硬さＨＲＣ３５以上
とする。ここで、表層部とは、動力伝達シャフト１の肉
厚の例えば１／４程度をいう。

【００１３】前述のように、動力伝達シャフト１の内径
面１ｃを高周波焼入れ・焼戻し処理により硬化処理し、
その内径面１ｃの表層部硬度をロックウェル硬さＨＲＣ
３５以上としたことにより、塑性加工による動力伝達シ
ャフト１の製作時に前記内径面１ｃに生じた加工しわが
破損の起点となりにくくなり、動力伝達シャフト自体の
強度を向上させると共に安定した捩り疲労強度を確保す
ることができる。

【００１４】なお、この実施形態では、高周波誘導加熱
用コイルを動力伝達シャフト１の外径側に配置して動力
伝達シャフト１の外径側から硬化処理しているが、この
手法以外にも、高周波誘導加熱用コイルを動力伝達シャ
フト１の内径側に配置して動力伝達シャフト１の内径側
から硬化処理するようにしてもよい。

【００１５】また、動力伝達シャフト１の外径面１ｄに
所定の残留圧縮応力を付与すれば、その残留圧縮応力の
増大により、動力伝達シャフト１の捩り疲労強度をより
一層向上させることが可能となる。その残留圧縮応力
は、例えば二段のショットピーニング処理により付与
し、７５０ＭＰａ以上とする。ここで、前記ショットピ
ーニング処理とは、一般的に小さな鋼粒を圧縮空気また
は遠心力で金属表面にたたきつけて表面の応力を均一化
することである。

【００１６】一段目のショットピーニング処理では、高
い残留圧縮応力を深くまで形成させるものであるが、そ
のためにはショット粒硬さをＨＶ７５０以上、ショット
粒径０．５〜１．０ｍｍ、ショット粒子投射速度６０ｍ
／sec以上の条件下でショットピーニング処理を施す必
要がある。この時、ショット粒が１ｍｍを超えると動力
伝達シャフト１の表面が荒れて疲労強度が低下する。

【００１７】一方、二段目のショットピーニング処理で
は、一段目のショット粒より小さなショット粒を用いて
表面部の残留圧縮応力と最表面硬さを上昇させて表面荒
さを改善する。そのために、ショット粒硬さをＨＶ７５
０以上、ショット粒径０．１〜０．５ｍｍの範囲で、か
つ、一段目より粒径の小さなショット粒でショットピー
ニング処理を施して、動力伝達シャフト１の表面部の残
留圧縮応力を７５０ＭＰａ以上とする。なお、動力伝達
シャフト１の表面部の残留圧縮応力を７５０ＭＰａ以上
に規定したのは、ショットピーニング等により残留圧縮
応力を付与していない動力伝達シャフトの残留圧縮応力
が７５０ＭＰａ以下であり、７５０ＭＰａ以上の残留圧
縮応力を付与することで、より一層捩り疲労強度を高め
ることができるからである。

【００１８】

【実施例】本出願人は、内径および外径が同一で高周波
焼入れ・焼戻し処理を行い、外径面の表層部硬度をロッ
クウェル硬さＨＲＣ５０以上とした上、内径面の表層部
硬度（ロックウェル硬さＨＲＣ）が異なる９個の動力伝
達シャフト（サンプル）について、捩り疲労強度試験を
行った。その試験結果を図２に示す。

【００１９】なお、内径面１ｃの表層部の硬さは内径面
から０．５ｍｍ付近をビッカース硬度計で測定したもの
をロックウェル硬さに換算した結果である。この試験で
は、動力伝達シャフト１の両端を支持した状態でその一
端を固定し、他端から負荷トルク（±１．０ｋＮ・ｍと
±１．２ｋＮ・ｍ）を付与した。破損起点の「外」は外
径側起点を、「内」は内径側起点をそれぞれ示す。判定
については、同一軸部径を有する中実シャフトの強度下
限レベルを判定基準として、負荷トルクが±１．０ｋＮ
・ｍの場合に４０万回以上を合格とし、負荷トルクが±
１．２ｋＮ・ｍの場合に１０万回以上を合格とした。

【００２０】図２に示す試験結果から明らかなように、
内径面１ｃの表層部硬度がロックウェル硬さＨＲＣ３５
以上の動力伝達シャフト１については、内径面１ｃに生
じた加工しわが破損の起点となることがないことから、
捩り疲労強度の点で合格であった。

【００２１】また、本出願人は、内径および外径が同一
で高周波焼入れ・焼戻し処理を同一条件で行った動力伝
達シャフト１（サンプル）を使用して、ショットピーニ
ング処理の有り無しで捩り疲労強度試験を行った。その
試験結果を図３に示す。なお、動力伝達シャフト１の外
径表面部の残留圧縮応力は、任意のサンプルを抽出して
ショットピーニング処理の有り無しのものについて測定
した。この試験では、動力伝達シャフト１の両端を支持
した状態でその一端を固定し、他端から負荷トルク（０
〜１．３ｋＮ・ｍ）を付与した。

【００２２】図３に示す試験結果から明らかなように、
ショットピーニング処理を施した動力伝達シャフト１
は、ショットピーニング処理を施さなかったものよりも
捩り疲労強度を向上させる点で有利であり、ショットピ
ーニング処理を施さなかった動力伝達シャフト１では、
その表面部の残留圧縮応力が７５０ＭＰａで最大であっ
たことから、ショットピーニング処理により表面部の残
留圧縮応力を７５０ＭＰａ以上とすることが好ましい。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、鋼製素管から塑性加工
により成形され、端部に連結要素を一体に有する動力伝
達シャフトにおいて、その内径面が硬化処理されている
ことにより、動力伝達シャフトとして要求される硬さを
満足させることができ、そのような硬さが得られたこと
により、塑性加工で内径面に生じた加工しわが破損の起
点となることがないことから、安定した捩り疲労強度を
確保することができて長寿命で信頼性の高い動力伝達シ
ャフトを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る動力伝達シャフトの実施形態で、
一部断面部分を含む正面図である。

【図２】捩り疲労強度試験の結果を示す表である。

【図３】ショットピーニング処理の有無による捩り疲労
強度試験の結果を示す表である。

【符号の説明】

１ 動力伝達シャフト １ｃ 内径面 １ｄ 外径面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 Ｆターム(参考） 3J033 AA01 AB03 AC01 BA01 BA07 BA15 4K042 AA14 BA04 DA01 DA02 DB01

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋼製素管から塑性加工により成形され、
   端部に連結要素を一体に有する動力伝達シャフトにおい
   て、その内径面が硬化処理されていることを特徴とする
   動力伝達シャフト。
2. 【請求項２】 前記硬化処理が高周波焼入れ・焼戻し処
   理であることを特徴とする請求項１に記載の動力伝達シ
   ャフト。
3. 【請求項３】 前記硬化処理による硬化層が外径面から
   内径面に達していることを特徴とする請求項１又は２に
   記載の動力伝達シャフト。
4. 【請求項４】 内径面の表層部硬度がロックウェル硬さ
   ＨＲＣ３５以上であることを特徴とする請求項１乃至３
   のいずれかに記載の動力伝達シャフト。
5. 【請求項５】 外径面に所定の残留圧縮応力を付与した
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の動
   力伝達シャフト。
6. 【請求項６】 前記残留圧縮応力がショットピーニング
   処理により付与されていることを特徴とする請求項５に
   記載の動力伝達シャフト。
7. 【請求項７】 前記残留圧縮応力が７５０ＭＰａ以上で
   あることを特徴とする請求項５又は６に記載の動力伝達
   シャフト。