JP2005069474A - シャフト及びハブの動力伝達機構 - Google Patents

Abstract

【課題】シャフトの所定部位に対する応力集中を抑制して、より一層、静的強度及び疲労強度を向上させる。
【解決手段】シャフト１２の端部に、複数の直線状のスプライン歯２０を有するシャフト歯部２２が形成され、ハブ１４の軸孔１６の内周面には、前記シャフト１２の端部に嵌合する複数の直線状のスプライン歯２６を有するハブ歯部２８が形成される。そして、シャフト歯部２２の中央点Ｐ０からシャフトシャンク２４側に向かって水平方向に移動した点Ｐ１に対して、シャフト歯部２２をハブ歯部２８側に向かって膨出させた第１段差部３０を形成し、ハブ歯部２８の山部２８ａ側では、前記点Ｐ１からシャフトシャンク２４と反対側に水平方向に沿ってオフセットした位置に点Ｐ２を設定し、前記点Ｐ２から半径外方向に拡径した第２段差部３２を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、シャフト及びハブからなる２部材間で回転トルクを円滑に伝達することが可能なシャフト及びハブの動力伝達機構に関する。

自動車等の車両において、エンジンからの駆動力を車軸に伝達するためにシャフトを介して一組の等速ジョイントが用いられている。この等速ジョイントは、アウタ部材とインナ部材との間に配設されたトルク伝達部材を介してアウタ部材・インナ部材間のトルク伝達を行うものであり、シャフトに形成されたシャフト歯部とハブに形成されたハブ歯部とが係合した歯部組立体を有するシャフト及びハブのユニットを含む。

ところで、近年、騒音、振動等の動力伝達系のガタに起因して発生する等速ジョイントの円周方向のガタを抑制することが要求されている。従来では、内輪とシャフトとのガタを抑制するために、等速ジョイントの軸セレーションにねじれ角を設けたものがあるが、前記ねじれ角の方向とトルクの負荷方向によって、内輪及びシャフトの強度、寿命にばらつきが生じるおそれがある。

また、歯車等の技術分野において、例えば、特許文献１〜３に示されるように、その歯面部にクラウニングを設ける技術的思想が開示されている。

本出願人は、スプラインが形成されたスプラインシャフトのクラウニングトップの位置を、スプラインシャフトと等速ジョイントとの嵌合部位に回転トルクが付与された際に最小となるように設けることにより、所定部位に応力が集中することを抑制するとともに、装置の全体構成を簡素化することを提案している（特許文献４参照）。

特開平２−６２４６１号公報 特開平３−６９８４４号公報 特開平３−３２４３６号公報 特開２００１−２８７１２２号公報

本発明は、前記の提案に関連してなされたものであり、所定部位に対する応力集中を抑制して、より一層、静的強度及び疲労強度を向上させることが可能なシャフト及びハブの動力伝達機構を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、シャフトに形成されたシャフト歯部と、前記シャフトの外周側に配置されたハブのハブ歯部とが係合することにより、前記シャフト及びハブ間で相互にトルク伝達が可能に結合された機構において、
前記シャフト歯部は、歯厚が一定の直線状からなる山部と、端部からシャフトシャンク側に向かって径が変化する谷部とを有し、
前記ハブ歯部は、歯厚が一定の直線状からなり且つ端部からシャフトシャンク側に向かって内径が変化する山部と、軸線方向に沿って一定の内径からなる谷部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、シャフト歯部とハブ歯部とが係合した状態においてシャフト及びハブ間に回転トルクが付与された場合、応力が集中する部位であるシャフト歯部の谷部の外径を増大させることにより、軸強度を向上させると共に応力を分散させることができる。

この場合、前記シャフト歯部の谷部の外径の変化点と、前記ハブ歯部の山部の内径の変化点とを、それぞれ所定距離だけオフセットした位置に設定することにより、前記シャフト歯部側の外径及びハブ歯部側の内径の変化部分に応力が集中することが緩和される。

例えば、シャフト歯部の谷部に、ハブ歯部側に向かって膨出する第１段差部を形成し、前記ハブ歯部の山部に、該シャフト歯部側と反対方向に窪んだ第２段差部を形成し、前記第１段差部の起点と前記第２段差部の起点とをそれぞれ所定距離だけオフセットした位置に設定するとよい。

従って、本発明では、シャフト歯部の谷部の外径の変化点とハブ歯部の山部の内径の変化点とが所定距離だけオフセットしているため、前記シャフト歯部に付与された応力が一方の変化点と他方の変化点とにそれぞれ分散されることにより応力集中が緩和される。この結果、シャフト歯部とハブ歯部との係合部位に対する静的強度及び疲労強度を向上させることができる。

なお、前記シャフト歯部の谷部に形成された第１段差部の傾斜角度を５度〜４５度に設定するとよい。前記傾斜角度を５度未満に設定すると応力分散効果を十分に発揮させることができなくなり、一方、前記傾斜角度が４５度を超えるとシャフト歯部の谷部径が増大した第１段差部に応力が過剰に集中するからである。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、応力が集中する部位であるシャフト歯部の谷部の外径を増大させることにより、軸強度を向上させると共に応力を分散させることができる。

また、シャフト歯部に付与された応力が一方の変化点と他方の変化点とにそれぞれ分散されることにより、応力の集中を緩和してシャフト歯部とハブ歯部との係合部位に対する静的強度及び疲労強度を向上させることができる。

本発明に係るシャフト及びハブの動力伝達機構について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る動力伝達機構が適用されたシャフト及びハブのユニット１０を示す。このユニット１０は、等速ジョイントの一部を構成するものであり、シャフト１２は、駆動力伝達軸として機能し、ハブ１４は、図示しないアウタ部材の開口部内に収納され図示しないボールが係合する案内溝１５を有するインナリングとして機能するものである。

このユニット１０におけるシャフト１２の一端部及び他端部には、それぞれ、ハブ１４の軸孔１６に嵌合する嵌合部１８が形成される。ただし、図１では、シャフト１２の一方の端部のみを示し、他方の端部は図示を省略している。前記嵌合部１８は、シャフト１２の軸線に沿って所定の歯長からなり、周方向に沿って形成された複数のスプライン歯２０を有するシャフト歯部２２を備える。前記シャフト歯部２２は、凸状の山部２２ａと凹状の谷部２２ｂとが周方向に沿って交互に連続して構成される。前記シャフト歯部２２の山部２２ａは、図２に示されるように、略同一の歯厚からなり、シャフト１２（図１参照）の軸線と略平行となるように形成されている。

前記シャフト１２の中心側の前記シャフト歯部２２に近接する部位には、シャフトシャンク２４が設けられ、また、シャフト１２の端部側には、前記ハブ１４の抜け止め機能を有する図示しない止め輪が環状溝（図示せず）を介して装着される。

前記ハブ１４の軸孔１６の内周面には、前記シャフト１２の嵌合部１８に嵌合する複数の直線状のスプライン歯２６を有するハブ歯部２８が形成される。前記ハブ歯部２８は、凸状の山部２８ａと凹状の谷部２８ｂとが周方向に沿って交互に連続して構成され、前記ハブ歯部２８の山部２８ａは、図２に示されるように、略同一の歯厚からなり、シャフト１２（図１参照）の軸線と略平行となるように形成されている。

図３は、シャフト歯部２２の谷部２２ｂとハブ歯部２８の山部２８ａとが係合した状態におけるシャフト１２の軸線方向に沿った一部拡大縦断面図である。図３中において、Ｐ０は、シャフト歯部２２の軸線方向に沿った中央点に対応する位置を示す。

シャフト歯部２２における谷部２２ｂ（谷部径φ１）のシャフト歯部２２の中央点Ｐ０からシャフトシャンク２４側に向かって水平方向に所定距離Ｌ１だけ移動した点Ｐ１を設定し、前記点Ｐ１からその谷部２２ｂをハブ歯部２８側に向かって膨出させ、谷部径φ１から谷部径φ２に変化させた第１段差部３０を形成し、さらに、所定距離Ｌ２だけ谷部径φ２を延在させてシャフトシャンク２４に連続させて形成する。

この場合、シャフト歯部２２側の前記第１段差部３０は、例えば、傾斜面または所定の曲率半径かならなる円弧状の曲面または複合面等によって形成するとよい。

なお、シャフト歯部２２の山部２２ａの外径は、図３及び図４に示されるように、軸線方向に沿って一定で変化しないものと、図５に示されるように、山部２２ａの外径が点Ｐ１の近傍部分からシャフトシャンク２４側に向かって徐々に縮径（歯丈が短縮）するように変化するものとの両方が含まれる。前記山部２２ａの外径をシャフトシャンク２４側に向かって徐々に縮径させることにより、後述する転造ラックによる製造が容易となる。また、前記山部２２ａの外径をシャフトシャンク２４側に向かって徐々に縮径させても、回転トルクの伝達機構が低下することがない。なお、図５中における記号Ｈは、山部２２ａの外径の変化（落ち込み）と対比するための水平線を示す。

ハブ歯部２８の山部２８ａ側では、前記シャフト歯部２２の点Ｐ１からシャフトシャンク２４と反対側に水平方向に沿った距離Ｌ４だけオフセットした位置に点Ｐ２を設定し、前記点Ｐ２からハブ歯部２８の山部２８ａの山部径φ３を山部径φ４に変化させた第２段差部３２を形成し、さらに、所定距離Ｌ３だけ山部径φ４を延在させて形成する。

この場合、ハブ歯部２８側の前記第２段差部３２は、例えば、傾斜面または所定の曲率半径からなる円弧状の曲面または複合面等によって形成し、前記第１段差部３０の形状と異なる形状であってもよい。前記第２段差部３２の傾斜角度は、第１段差部３０の傾斜角度に対応して任意に設定される。なお、ハブ歯部２８側の形状は、前記第２段差部３２に対応した形状に限定されるものではなく、例えば、所定の曲率半径を有するＲ形状、テーパ形状等を含む形状であってもよい。また、ハブ歯部２８の谷部２８ｂの内径は、一定で変化しないものとする。

前記谷部径φ１、φ２は、それぞれ、シャフト１２の軸心からシャフト歯部２２の谷部２２ｂの底面までの離間距離を示したものであり、前記山部径φ３、φ４は、それぞれ、シャフト１２の軸心からハブ歯部２８の山部２８ａの歯先までの離間距離を示したものである。

なお、シャフト歯部２２側の所定距離Ｌ２は、所定距離Ｌ１より大きく設定されるとよい（Ｌ１＜Ｌ２）。さらに、シャフト歯部２２側のＬ２とハブ歯部２８側の所定距離Ｌ３とは、それぞれ略等しく（Ｌ２≒Ｌ３）、又はシャフト歯部２２側のＬ２に対してハブ歯部２８側のＬ３が大きくなるように設定されるとよい（Ｌ２＜Ｌ３）。寸法公差及び寸法精度によって後述するオフセットが設定し易くなると共に、組み付け性を向上させることができるからである。

図３から諒解されるように、シャフト歯部２２の第１段差部３０の立ち上がりの起点（変化点）となる点Ｐ１と、ハブ歯部２８の第２段差部３２の立ち上がりの起点（変化点）となる点Ｐ２とが離間距離（所定距離）Ｌ４だけ略水平方向にオフセットした位置に設定されている。

従って、シャフト歯部２２とハブ歯部２８とが係合したシャフト１２及びハブ１４のユニット１０に対して回転トルクが付与された場合、シャフト歯部２２側の点Ｐ１とハブ歯部２８側の点Ｐ２とが所定距離Ｌ４だけオフセットしているため、前記ユニット１０に付与された応力が前記点Ｐ１と点Ｐ２とにそれぞれ分散されることにより応力集中を緩和することができる。その結果、シャフト歯部２２とハブ歯部２８との係合部位に対する静的強度及び疲労強度を向上させることができる。

さらに、図４に示されるように、点Ｐ１、点Ｐ３、点Ｐ４を結んだ直角三角形の断面積を増大させ、点Ｐ１と点Ｐ４を結ぶ線分Ｐ１４（基線）と、点Ｐ１と点Ｐ３を結ぶ線分Ｐ１３とがなす角度θ、すなわち、第１段差部３０の傾斜角度θを緩やかに設定することにより、前記第１段差部３０に形成されたテーパ部３４によって応力集中が一層好適に緩和される。

前記第１段差部３０の傾斜角度θと応力緩和及び生産技術性との関係を図６に示す。図６から諒解されるように、前記傾斜角度θを５度〜４５度に設定すると良好（○印参照）であり、前記傾斜角度θを１０度〜３５度に設定すると最適（◎印参照）である。

前記傾斜角度θを３度に設定すると、応力分散効果を十分に発揮することができないと共に、後述する転造ラックによる生産が困難であって不適である。一方、前記傾斜角度θを９０度に設定すると、階段状の第１段差部３０に対して応力が過剰に集中するという問題があると共に、後述する転造ラックの耐久性を劣化させるという他の問題がある。

ここで、シャフト歯部２２及びハブ歯部２８にそれぞれ第１段差部３０及び第２段差部３２が形成されていない比較例に係る応力値の特性曲線Ａ（破線参照）と、図４に示されるように所定距離Ｌ４だけオフセットした点Ｐ１及びＰ２を有するとともに、第１段差部３０の傾斜角度θを大きく設定したときの応力値の特性曲線Ｂ（実線参照）を、それぞれ図７に示す。特性曲線Ａと特性曲線Ｂとを比較すると、図４に示す構造からなる特性曲線Ｂでは、応力値のピークが減少して応力集中が緩和されていることが諒解される。

また、図８は、前記第１段差部３０の傾斜角度θを、前記特性曲線Ｂと比較して緩やかに設定した際における応力値の特性曲線Ｃを示したものであり、前記傾斜角度θを緩やかに設定してテーパ部３４を大きく形成することより、前記テーパ部３４によって応力集中が一層好適に緩和されることが諒解される（図７に示す特性曲線Ｂのア部分と、図８に示す特性曲線Ｃのイ部分とを比較参照）。

次に、シャフト歯部２２側の点Ｐ１とハブ歯部２８側の点Ｐ２とが所定距離だけオフセットした状態における応力値の特性曲線（実線）Ｍと、前記点Ｐ１と点Ｐ２とがオフセットしていない状態、すなわち水平方向に沿った離間距離が零の状態における応力値の特性曲線（破線）Ｎとを図９に示す。

この場合、特性曲線Ｍ及び特性曲線Ｎのオフセットの有無部分（図９中のウ部分参照）を比較すると、オフセットしていない特性曲線Ｎに対してシャフト歯部２２側の起点Ｐ１（図３及び図４参照）とハブ歯部２８側の起点Ｐ２（図３及び図４参照）とがオフセットした特性曲線Ｍが緩やかな曲線となっており、オフセットさせることにより径の変化部分における応力の集中が緩和されている。

次に、回転トルクが付与されていない無負荷状態から、回転トルクが付与されて直線形状を有するシャフト歯部２２の山部２２ａと直線形状を有するハブ歯部２８の山部２８ａとが噛合した状態を図２に示す。なお、回転トルクによる荷重入力方向は、シャフト歯部２２の軸線と直交する矢印Ｙ方向に設定した。

この場合、応力値と測定位置（図２の矢印Ｘ参照）との関係を表した図１０に示されるように、入力される荷重の度合いを例えば、低荷重（破線）、中荷重（一点鎖線）、高荷重（実線）の３段階とすると、前記段階に対応した低荷重特性曲線、中荷重特性曲線、高荷重特性曲線より応力のピークポイントが、それぞれ点ａ、点ｂ、点ｃのように略同一の測定位置Ｄとなることがわかる。

図１１及び図１２は、シャフト１２とハブ１４とを組み付けた際のシャフト歯部２２の谷部２２ｂとハブ歯部２８の山部２８ａとの接触状態を示す縦断面図である。なお、図１１及び図１２中におけるφｄ１〜φｄ３は、それぞれシャフト１２の軸心からのピッチ円径を示す。

シャフト歯部２２を直線状とするとともに、ハブ歯部２８を直線状とすることにより、前記シャフト歯部２２の側面とハブ歯部２８の側面とが、常に面接触した状態となる（図２、図１１及び図１２参照）。

また、図１１と図１２とを比較して諒解されるように、シャフト歯部２２及びハブ歯部２８のシャフトシャンク２４に近接する部位に第１段差部３０（図３参照）及び第２段差部３２（図３参照）をそれぞれ形成することにより、応力が集中する領域のシャフト歯部２２の径φｄ２及びφｄ３をαだけ増大させることができる。

従って、応力が集中する領域のシャフト歯部２２の径φｄ２及びφｄ３をαだけ増大させることにより、前記シャフト歯部２２の谷部２２ｂの歯底Ｒの曲率を大きく設定することが可能となり（図１２中のＲ′参照）、応力を分散させることができる。また、シャフトシャンク２４に近接する部位の径を他の部位と比較して増大させることにより、全体応力（主応力）を低減させることができる。

なお、図１１及び図１２に示されるシャフト歯部及びハブ歯部の歯形形状を、図１３に示されるように、インボリュート歯形としてもよい。その際、シャフト歯部２２のシャフト歯２２ｃとハブ歯部２８のハブ歯２８ｃとが、互いに基準ピッチ円直径Ｔ上で接触した状態となる。すなわち、ラック形工具等によってシャフト１２及びハブ１４に対して簡便に前記シャフト歯部２２及びハブ歯部２８を加工することができると共に、前記シャフト歯部２２とハブ歯部２８を係合する際に円滑に係合させることができる。

次に、シャフト歯部２２のスプライン歯２６の製造方法について説明する。

図１４に示されるように、超硬材料によって略直線状に形成された上下一組の転造ラック４０ａ、４０ｂの間に、前加工であるツール加工によって所定形状に形成された棒状の被加工物４２を挿入し、相互に対向する一組の転造ラック４０ａ、４０ｂによって被加工物４２を押圧した状態において、図示しないアクチュエータの駆動作用下に前記一組の転造ラック４０ａ、４０ｂを相互に反対方向（矢印方向）に変位させることにより、被加工物４２の外周面に対してスプライン加工が施される。

本実施の形態では、転造成形を用いることにより、シャフト歯部２２のスプライン歯２６を簡便に成形することができる。なお、前記ツール加工によりシャフト歯部２２のスプライン歯２０の歯先には、約５０μｍ程度の深さからなる図示しないツール溝（ツール目）が形成される。

また、転造成形を用いた場合、圧造（鍛造）成形と比較して、成形サイクルが速く、前記転造ラック４０ａ、４０ｂ等の成形歯具の耐久性を向上させることができる。さらに、転造成形では、転造ラック４０ａ、４０ｂ等の成形歯を再研磨して再利用することが可能である。従って、転造成形を用いた場合、圧造（鍛造）成形と比較して、寿命、成形サイクル、再利用等の点からコスト的に有利である。

ただし、転造成形の場合は歯先へ向かっての肉流れによって成形されるため、歯先の断面形状は必ずしも均等でない場合がある。

以上のように、本実施の形態では、シャフト１２における第１段差部３０の立ち上がりの起点となる点Ｐ１と、ハブ１４における第２段差部３２の立ち上がりの起点となる点Ｐ２とを所定距離Ｌ４だけ略水平方向にオフセットさせて設定している。

そのため、シャフト歯部２２とハブ歯部２８とが係合したシャフト１２及びハブ１４のユニット１０に対して回転トルクが付与された場合、前記ユニット１０に付与された応力が、前記点Ｐ１と点Ｐ２とにそれぞれ分散されるため応力集中を緩和することができる。その結果、シャフト歯部２２とハブ歯部２８との係合部位に対する静的強度及び疲労強度を向上させることができる。

また、シャフト歯部２２における第１段差部３０の点Ｐ１を起点とした傾斜角度θを、例えば、５度〜４５度に設定することにより、前記第１段差部３０に形成されたテーパ部３４によって応力集中が一層好適に緩和される。

さらに、シャフト１２を駆動力伝達軸とするとともに、ハブ１４を等速ジョイントにおけるアウタ部材の内部に収納されるインナ部材とすることにより、前記駆動力伝達軸から回転トルクが前記ハブ１４へと伝達された際、前記シャフト１２及びハブ１４との係合部位に対する応力集中を好適に緩和して、前記駆動力を等速ジョイントにおけるアウタ部材へと確実に伝達することができる。

本発明の実施の形態に係る動力伝達機構が適用されたシャフト及びハブのユニットの一部切欠斜視図を示す。 シャフト歯部とハブ歯部とが係合した状態における部分拡大横断面図である。 図１のシャフト歯部の谷部とハブ歯部の山部とが係合した状態におけるシャフトの軸線方向に沿った部分拡大縦断面図である。 図３のシャフトにおける第１段差部の緩やかな傾斜角度θとなるテーパ部が形成された状態を示す部分拡大縦断面図である。 図４において、シャフト歯部の山部の外径をシャフトシャンク側に向かって変化させた状態を示す部分拡大縦断面図である。 シャフト歯部に形成された第１段差部の傾斜角度θと応力緩和及び生産技術性との関係を示す説明図である。 シャフト歯部及びハブ歯部に第１段差部及び第２段差部が形成されていない場合と、第１段差部及び第２段差部が形成された場合におけるシャフトに発生する応力値とその応力値を測定した位置との関係を示す特性曲線図である。 第１段差部の傾斜角度θをさらに緩やかにした状態におけるシャフトに発生する応力値とその応力値を測定した位置との関係を示す特性曲線図である。 シャフト歯部の径の変化点及びハブ歯部の径の変化点がオフセットした状態とオフセットしていない状態におけるシャフトに発生する応力値とその応力値を測定した位置との関係を示す特性曲線図である。 回転トルクが付与されたときの入力荷重に応じてシャフトに発生する応力値とその応力値を測定した位置との関係を示す特性曲線図である。 図３のＸＩ−ＸＩ線に沿った拡大縦断面図である。 図３のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った拡大縦断面図である。 シャフト歯部及びハブ歯部におけるスプライン歯の断面形状を、インボリュート歯形とした変形例を示す拡大縦断面図である。 シャフト歯部のスプライン歯を転造ラックによって転造成形する状態を示す一部省略斜視図である。

符号の説明

１０…ユニット １２…シャフト
１４…ハブ １６…軸孔
１８…嵌合部 ２０、２６…スプライン歯
２２…シャフト歯部 ２２ａ、２８ａ…山部
２２ｂ、２８ｂ…谷部 ２４…シャフトシャンク
２８…ハブ歯部 ３０…第１段差部
３２…第２段差部 ３４…テーパ部

Claims (4)

1. シャフトに形成されたシャフト歯部と、前記シャフトの外周側に配置されたハブのハブ歯部とが係合することにより、前記シャフト及びハブ間で相互にトルク伝達が可能に結合された機構において、
   前記シャフト歯部は、歯厚が一定の直線状からなる山部と、端部からシャフトシャンク側に向かって径が変化する谷部とを有し、
   前記ハブ歯部は、歯厚が一定の直線状からなり且つ端部からシャフトシャンク側に向かって内径が変化する山部と、軸線方向に沿って一定の内径からなる谷部とを有することを特徴とするシャフト及びハブの動力伝達機構。
2. 請求項１記載の機構において、
   前記シャフト歯部の谷部の外径の変化点と、前記ハブ歯部の山部の内径の変化点とは、それぞれ所定距離だけオフセットした位置に設定されることを特徴とするシャフト及びハブの動力伝達機構。
3. 請求項２記載の機構において、
   前記シャフト歯部の谷部には、ハブ歯部側に向かって膨出する第１段差部が形成され、前記ハブ歯部の山部には、該シャフト歯部側と反対方向に窪んだ第２段差部が形成され、前記第１段差部の起点と前記第２段差部の起点とがそれぞれ所定距離だけオフセットした位置に設定されることを特徴とするシャフト及びハブの動力伝達機構。
4. 請求項３記載の機構において、
   前記第１段差部の傾斜角度は、５度〜４５度に設定されることを特徴とするシャフト及びハブの動力伝達機構。

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