JP2005147367A - 動力伝達軸 - Google Patents

Abstract

【課題】 スプライン軸やセレーション軸等の動力伝達軸の静的強度ならびに疲労強度を向上させた動力伝達軸を提供する。
【解決手段】 拡径面２２を、歯２１の谷部21ａの反軸端側に形成した動力伝達軸２において、拡径面２２と、拡径面２２に隣接する歯面21ｃとの隅部Ｃ１にＲ面状の第一の鈍化部２５を形成してエッジを鈍化させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転トルクの伝達を行う動力伝達軸に関するものである。

自動車のドライブシャフト等においては、等速自在継手に動力伝達軸が連結される。多くの場合、この動力伝達軸は、軸端に形成されたスプラインあるいはセレーション（以下、スプラインで代表する）によって等速自在継手の内輪と連結される。この種の動力伝達軸のスプライン成形には、加工性やコストを考慮して、転造加工やプレス加工等の塑性加工が用いられる。

前記動力伝達軸に形成されたスプラインの反軸端側の端部の形状には種々のタイプが存在し、例えば図６に示すように、動力伝達軸１０側の歯１２の谷部12ａをそのまま動力伝達軸１０の外周面に抜いたタイプ（以下、「切抜けタイプ」と称する）や、図７に示すように、歯１２の谷部12ａを滑らかに拡径させて動力伝達軸１０の外周面につなげたタイプ（以下、「切上りタイプ」と称する）等がある。このうち、「切上りタイプ」における谷部12ａの滑らかに拡径させた面（以下、「拡径面」と称する）は、通常、半径Ｒａの断面円弧状に形成される（球面状に形成される場合もある）。この場合、拡径面の曲率半径Ｒａを大きくすれば応力緩和効果が高まり、動力伝達軸の強度を向上させ得ることが知られている。

上述した切上りタイプのスプライン形状を有する動力伝達軸の一例が特開２０００−９７２４４号公報（特許文献１）に記載されている。この動力伝達軸は、スプライン終端部に拡径領域を形成するとともに、この拡径領域内に外周部材との嵌合部を形成したもので、これによれば、動力伝達軸の静的強度および疲労強度の両面で強度向上が図られる。
特開２０００−９７２４４号公報

ところで、近年では、環境問題に対する関心の高まりから、例えば自動車では排ガス規制の強化や燃費向上等が強く求められており、それらの対策の一環として、ドライブシャフト、プロペラシャフト等の動力伝達軸にもさらなる軽量化・強度向上が強く求められている。

そこで、本発明の課題は、スプライン軸やセレーション軸等の動力伝達軸のさらなる強度向上を図ることにある。

前記課題を解決するため、本発明に係る動力伝達軸は、外周に、歯面を介して相手部材との間でトルク伝達を行う軸方向の歯を備え、かつ歯の谷部の一端が軸方向に拡径する拡径面を介して外周面につながった動力伝達軸において、拡径面と、拡径面に隣接する歯面との隅部に、両面間のエッジを鈍化させる鈍化部を設けたことを特徴とする。

図８は、従来の動力伝達軸の歯（例えばスプライン）の反軸端側を拡大して示す斜視図である。トルク伝達の際、動力伝達軸の歯１２は、その外周に嵌合した図示しない相手部材（ボス）の歯から軸方向と直交する方向の負荷を受ける（図８中矢印の方向）が、この際、動力伝達軸の歯１２の根元には曲げモーメントに伴う大きな曲げ応力が発生する。

ところで、この種の軸方向の歯は転造加工で成形するのが一般的である。しかしながら、転造ラックの製作工程では、通常、拡径面１３よりも軸端側の領域（有効領域）の成形部を形成した後、その端面に面取り加工を施して拡径面１３の成形部を形成しているため、ラックの歯の側面と拡径面の成形部との境界部分はエッジとなる。従って、転造時にはラックのエッジ部分が素材に転写され、これによって歯１２の谷部12ａと歯面12ｃとの隅部Ｃ１がエッジとなっていた。本発明は、従来では考慮されることのなかった拡径面１３と歯面12ｃとの隅部Ｃ１におけるエッジに着目し、図３に示すように、この隅部Ｃ１のエッジを鈍化させる第一の鈍化部２５を設けることにより、隅部Ｃ１に発生する応力集中を緩和し、これにより動力伝達軸の静的強度ならびに疲労強度の向上を図るものである。

エッジを鈍化させるための具体的手段として、第一の鈍化部２５をＲ面で形成することを挙げることができる（図３参照）。

このように隅部Ｃ１をＲ面で鈍化させたスプライン軸に関して、Ｒ面の曲率半径Ｒｃを異ならして（Ｒｃ＝Ｒ０．１５、Ｒｃ＝Ｒ０．２５）隅部Ｃ１における応力解析を行ったところ、図９に示すように、Ｒ面の曲率半径Ｒｃを大きくした方が応力緩和効果が高く、動力伝達軸の高強度化により有効であることが判明した。従って、本発明によれば、隅部を鈍化させることにより応力集中を緩和することができ、ひいては、動力伝達軸の負荷容量を向上させることができる。

以上の効果は第一の鈍化部２５を面取りで形成することによっても得られる（図４参照）。

以上に述べた構成は、拡径面の形状によらず適用することができ、例えば図３、図４に示すように、円周方向幅が軸方向の谷部一端側で拡大した拡径面２２の他、図５に示すように、円周方向幅が軸方向で一定である拡径面２２（以下、「舟形タイプ」と称する）の何れにも適用することができる。

第一の鈍化部は、歯の塑性加工後に形成することも考えられるが、凹状のエッジを当該エッジ形成後に鈍化させることは技術的に困難であり、加工コストが高騰する。従って、歯と第一の鈍化部は同時に塑性加工で成形するのが望ましい。塑性加工としては転造加工あるいはプレス加工を採用することができる。この場合、第一の鈍化部は、転造ラックやプレス用ダイスの第一の鈍化部に対応する部分を予め凸状に鈍化させておくことにより、歯と同時に成形可能となる。

同様の観点から、図３に示すように、歯の有効領域で、歯の谷部21ａとこの谷部21ａに隣接する歯面21ｃとの隅部Ｃ２に、両面間のエッジを鈍化させる第二の鈍化部２６を設けることもできる。これにより、第一の鈍化部２５と併せ、歯２１の軸方向全長で応力集中が緩和されるため、歯の強度向上を図ることができる。この場合、第一の鈍化部と第二の鈍化部は連続して形成するのが望ましい。

図２に示すように、歯２１の拡径領域Ｓ１に相手部材との嵌合部Ｆ（散点模様で示す）を設けることにより、疲労強度および静的強度の両面でさらに強度向上を図ることができる。

以上に述べた動力伝達軸を等速自在継手の内側継手部材または外側継手部材に結合することにより、高強度の等速自在継手が提供可能となる。

以上のように、本発明に係る動力伝達軸によれば、スプライン軸やセレーション軸等の動力伝達軸の静的強度ならびに疲労強度を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る動力伝達軸２を内輪３に結合した等速自在継手１を示す。この等速自在継手１は、一方の動力伝達軸２に固定される内側継手部材としての内輪３、内輪３の外径側に配置され、他方の動力伝達軸９に固定される外側継手部材としての外輪４、内輪３と外輪４との間でトルクを伝達するトルク伝達部材としてのボール５を主要構成要素とする。図示例の等速自在継手は、ツエッパ型と称されるもので、内輪３外周に形成されたトラック溝３ａと外輪４内周に形成されたトラック溝４ａとで形成されるボールトラックにボール５を配置し、円周方向等配位置に配置した複数のボール５をケージ７で保持したものである。等速自在継手１の構造は、図示例のものに限定されず、トリポード型等速自在継手をはじめとする各種形式の等速自在継手が使用可能である。

動力伝達軸２の軸端外周には、スプラインやセレーションなど、軸方向に延びる複数の歯２１を円周方向複数箇所に配列したトルク伝達部Ｓが形成される。このトルク伝達部Ｓの歯２１を、図２に示すように相手部材である内輪３の内周に形成された複数の歯３１と嵌合させることによって、動力伝達軸２と内輪３とがトルク伝達可能に結合されている。内輪３は、例えば内輪３の反軸端側の内径端部を動力伝達軸２外周の肩部２４に当接させ、かつ軸端側の内径端部を、例えば止め輪８（図１参照）で係止することによって、動力伝達軸２に対して軸方向で位置決め固定される。

図３に示すように、動力伝達軸２の歯２１は、軸方向に延びる谷部21ａと山部21ｂとを円周方向に交互に有する。この歯２１は切上りタイプで、各谷部21ａの反軸端側の端部には、円弧状に滑らかに拡径する拡径面２２が形成されている。この拡径面２２の大径側は動力伝達軸２の外周面、図示例でいえばトルク伝達部Ｓに隣接して形成された平滑部２３の外周面につながっている。以下では、歯２１のうち、拡径面２２と拡径面２２に隣接する歯面21ｃとで囲まれる領域を拡径領域Ｓ１と称し、谷部21ａの拡径面２２を除く部分とこれに隣接する歯面21ｃとで囲まれる領域を歯の有効領域Ｓ２と称する（図２参照）。なお、拡径面２２は、その軸方向断面を円弧のみで形成する他、円弧と直線とを組合わせた断面形状、あるいは直線のみからなる断面形状としてもよい。

内輪３内周に形成された歯３１の間の谷部31ａは、同径のまま内輪３の反軸端側の端部まで形成されている。一方、歯３１の外周面である山部31ｂは、その反軸端側に傾斜した立ち上り部31b1を有し、立ち上り部31b1よりも反軸端側に、入口側よりも内径を大きくとった逃げ領域Ｔを備えている。この逃げ領域Ｔの内径は、動力伝達軸２の平滑部２３の外径よりも大きく、平滑部２３の終端側に形成された肩部２４の外径より小さくなるよう定められている。

動力伝達軸２の歯２１と内輪３の歯３１とは互いに嵌合状態にある。この両者の嵌合部Ｆ（散点模様で表す）を、歯２１の有効領域Ｓ２だけでなく、拡径領域Ｓ１にも設け、歯２１と歯３１の歯面同士を拡径領域Ｓ１中でも互いに円周方向で接触させることにより、疲労強度および静的強度の向上を図ることができる。

図３に示すように、歯２１の谷部21ａの拡径面２２と、拡径面２２に隣接する両歯面21ｃとの間の隅部Ｃ１には、Ｒ面状の第一の鈍化部２５が形成されており、この第一の鈍化部２５を介して拡径面２２と歯面21ｃとが滑らかにつながっている。第一の鈍化部２５の断面は、単一曲率の円弧状とする他、異なる曲率の複数の円弧からなる複合曲線で形成することもできる。

上述の動力伝達軸２を結合した等速自在継手１について、内輪３側と動力伝達軸２側との間でトルク伝達が行われると、動力伝達軸２側の歯２１は、内輪３側の歯３１から歯面21ｃの法線方向に負荷を受ける。これにより、歯２１には曲げモーメントに伴う曲げ応力が発生する。ここで、図３に示すように、拡径面２２と拡径面２２に隣接する歯面21ｃとの間の隅部Ｃ１にエッジを鈍化させた第一の鈍化部２５を形成すれば、この隅部Ｃ１における応力集中が緩和されるため、トルク伝達部Ｓの静的強度や疲労強度が向上し、これを通じて動力伝達軸２自体の強度アップを図ることができる。

この実施形態では、第一の鈍化部２５をＲ面で形成しているが、図４に示すように、第一の鈍化部２５を面取り状の平面で形成しても同様の作用効果が得られる。

この鈍化部２５は、転造加工により歯２１と同時に形成することができる。図１０は、転造加工で使用する転造ラック４０の斜視図である。図示のように転造ラック４０は、歯面21ｃを成形する歯面成形部４１、拡径面２２を成形する拡径面成形部４２、歯２１の谷部21ａを成形する谷部成形部４３を有する。歯面成形部４１と拡径面成形部４２の隅部Ｃ３をワイヤー加工や放電加工等で鈍化させて凸状Ｒ面に形成することにより、転造時の塑性変形で歯２１と凹状Ｒ面の鈍化部２５とが同時に成形される。転造ラック４０の隅部Ｃ３を平面状に面取り加工すれば、隅部Ｃ１に平面状の鈍化部２５が形成可能となる。このように歯２１の塑性加工と同時に鈍化部２５を塑性加工することにより、歯２１の成形後の別工程で鈍化部２５を形成する場合に比べ、生産効率を高めて動力伝達軸２の低コスト化を図ることができる。

以上の説明では、歯２１の拡径領域Ｓ１に第一の鈍化部２５を形成しているが、この種の鈍化部は歯２１の有効領域Ｓ２に形成することもできる。図３および図４に示すように、この鈍化部２６（第二の鈍化部）は、トルク伝達部Ｓの有効領域Ｓ２の谷部21ａと、谷部21ａに隣接する歯面21ｃとの間の隅部Ｃ２にＲ面状あるいは平面状に形成される。このように拡径領域Ｓ１だけでなく、有効領域Ｓ２にも鈍化部２６を形成することにより、歯２１の軸方向全長で応力集中が緩和されるため、動力伝達軸２の強度をさらに高めることができる。この第二の鈍化部２６は、図１０に示すように、第一の鈍化部２５と同様に、転造ラック４０の谷部成形部４３と歯面成形部４１の間の隅部Ｃ４の凸状エッジを鈍化させることにより、歯２１、さらには第一の鈍化部２５と同時成形することができる。

トルク伝達部Ｓは転造加工以外の塑性加工、例えばプレス加工によっても成形することができる。その際には、図１１に示すように、歯面成形部５１、拡径面成形部５２、および谷部成形部５３を有するプレス加工用のダイス５０の歯面成形部５１と拡径面成形部５２との隅部Ｃ５に予めＲ面加工もしくは面取り加工を行えばよい。歯面成形部５１と谷部成形部５３の隅部Ｃ６にＲ面加工もしくは面取り加工を行うことにより、歯２１の有効領域Ｓ２の谷部21ａと歯面21ｃとの間の隅部Ｃ２に第二の鈍化部２６を形成することができる。なお、Ｒ面加工や面取り加工は、ワイヤー加工や放電加工により行うのが好ましい。

上述の実施形態では、トルク伝達部Ｓとして、拡径面２２を、その円周方向幅を反軸端側で拡大させたいわゆる「槍形タイプ」を例示しているが、これに限ることなく他の形態のトルク伝達部にも本発明を適用することもできる。具体的には、例えば図５に示すように、拡径面２２の円周方向幅Ｗ１を一定にしたいわゆる「舟形タイプ」の歯２１も存在するが、この場合にも拡径領域Ｓ１における拡径面２２と歯面21ｃとの隅部Ｃ１、さらには有効領域Ｓ２における谷部21ａと歯面21ｃとの隅部Ｃ２に第一の鈍化部２５および第二の鈍化部２６を形成することにより、同様に動力伝達軸２の強度アップを図ることができる。一般に舟形タイプ（図５）では、槍形タイプ（図４）と比べ拡径領域Ｓ１の隅部Ｃ１でより大きな応力緩和効果が得られるので、動力伝達軸２のさらなる高強度化が期待できる。この舟形タイプにおいて、隅部Ｃ１およびＣ２をＲ面状に鈍化させる場合、両者でその曲率を異ならせる等して形状を異ならせることもできるが、高強度化の観点から同形状の鈍化部２５、２６で鈍化させるのが好ましい。

舟形タイプのトルク伝達部Ｓにおける第一および第二の鈍化部２５、２６は、槍形タイプの場合と同様に、図１２に示す転造ラック４０を使用した転造加工、あるいは図１３に示すダイス５０を使用したプレス加工等の塑性加工によって歯と同時に形成することができる。転造ラック４０およびダイス５０の何れについても、拡径面成形部４２、５２と歯面成形部４１、５１との間の隅部Ｃ３、Ｃ５の凸状エッジを鈍化させることにより第一の鈍化部２５を形成することができ、歯面成形部４１、５１と谷部成形部４３、５３との間の隅部Ｃ４、Ｃ６の凸状エッジを鈍化させることにより第二の鈍化部２６を形成することができる。隅部Ｃ３〜Ｃ６のエッジを鈍化させるための手段としては、ワイヤー加工や放電加工が代表的であるが、特に転造ラック４０においては砥石を拡径方向に移動させて研摩することにより鈍化させることもできる。なお、プレス加工では、図１４に示すように拡径面２２がストレートなテーパ面となるので、拡径面２２の拡径開始位置Ｐ１はＲ面等で形成し、谷部21ａと拡径面２２を滑らかにつなぐのが望ましい。

この舟形タイプにおいては、図１５（ａ）に示すように、拡径領域Ｓ１内の歯溝（隣接する山部21ｂ間の溝）の円周方向幅が、有効領域Ｓ２内の歯溝の円周方向幅に比べて狭くなる。この場合、内輪３の歯３１のうち、山部31ｂの反軸端側を舟形タイプに相当した形状に形成することで、動力伝達軸２側の歯２１と内輪３側の歯３１とを拡径領域Ｓ１内で嵌合させることができる。

また、舟形タイプでは、図１５（ａ）に示すように、歯溝の円周方向幅が、拡径領域Ｓ１が開始する位置（拡径開始位置）Ｐ１から狭くなり始めるが、同図（ｂ）に示すように、歯溝の円周方向幅が狭くなり始める位置（歯溝幅縮小開始位置）Ｐ２を拡径領域Ｓ１内に移動させれば、拡径領域Ｓ１内で歯２１、３１同士を嵌合させることができる。なお、拡径面２２の軸心に対する角度をθ１とし、拡径開始位置Ｐ１と歯溝幅縮小開始位置Ｐ２を結んだ線が軸心となす角度をθ２とした時（θ１≦θ２＜９０°）、θ１＝θ２であれば槍形タイプとなり、θ２＝９０°であれば通常の舟形タイプとなる。

上述の実施形態で示した歯２１は、図１に示す等速自在継手１の内輪３に結合した動力伝達軸２に設けたものであったが、同様の歯を有するトルク伝達部Ｓ’は、例えば外輪４に結合された動力伝達軸９（図１参照）に形成することもできる。

等速自在継手１の軸方向の断面図である。 前記等速自在継手１の内輪に結合した動力伝達軸２を示す要部拡大断面図である。 隅部Ｃ１にＲ面を形成した動力伝達軸２の要部拡大斜視図である。 隅部Ｃ１に面取りを施した動力伝達軸２の要部拡大斜視図である。 舟形タイプの拡径領域Ｓ１を有する動力伝達軸２の要部拡大斜視図である。 切抜けタイプの歯を有する動力伝達軸１０の要部拡大断面図である。 切上りタイプの歯を有する動力伝達軸１０の要部拡大断面図である。 従来の動力伝達軸１０のスプライン終端側を示す要部拡大斜視図である。 第一の鈍化部の曲率半径Ｒｃを異ならせた動力伝達軸の応力解析結果を示す表である。 槍形タイプのスプラインを転造成形するための転造ラック４０を示す斜視図である。 槍形タイプのスプラインをプレス成形するためのダイス５０を示す斜視図である。 舟形タイプのスプラインを転造成形するための転造ラック４０を示す斜視図である。 舟形タイプのスプラインをプレス加工するためのダイス５０を示す斜視図である。 拡径開始位置Ｐ１と歯溝幅縮小開始位置Ｐ２との位置関係を示す動力伝達軸２の軸方向断面図である。 （ａ）は拡径開始位置Ｐ１と歯溝幅縮小開始位置Ｐ２とを同一にした谷部の要部拡大平面図、（ｂ）は歯溝幅縮小開始位置Ｐ２を拡径領域Ｓ１内に設けた谷部の要部拡大平面図である。

符号の説明

１ 等速自在継手
２ 動力伝達軸
３ 内輪
４ 外輪
５ ボール
７ ケージ
８ 止め輪
９ 動力伝達軸
２１ 歯
21ａ 谷部
21ｂ 山部
21ｃ 歯面
２２ 拡径面
３１ 歯
31ａ 谷部
31ｂ 山部
Ｃ１ （拡径面と隣接する歯面との）隅部
Ｃ２ （歯の谷部と隣接する歯面との）隅部
Ｒａ （拡径面の）曲率半径
Ｒｃ （Ｒ面状の第一の鈍化部の）曲率半径
Ｓ１ 拡径領域
Ｓ２ 有効領域

Claims (11)

1. 外周に、歯面を介して相手部材との間でトルク伝達を行う軸方向の歯を備え、かつ歯の谷部の一端が軸方向に拡径する拡径面を介して外周面につながった動力伝達軸において、
   拡径面と、拡径面に隣接する歯面との隅部に、両面間のエッジを鈍化させる第一の鈍化部を設けたことを特徴とする動力伝達軸。
2. 第一の鈍化部をＲ面で形成した請求項１記載の動力伝達軸。
3. 第一の鈍化部を面取りで形成した請求項１記載の動力伝達軸。
4. 拡径面が、その円周方向幅を軸方向の前記一端側で拡大させたものである請求項１記載の動力伝達軸。
5. 拡径面が、その円周方向幅を軸方向で一定にしたものである請求項１記載の動力伝達軸。
6. 第一の鈍化部が、前記歯と同時に塑性加工で形成されている請求項１記載の動力伝達軸。
7. 塑性加工が転造加工である請求項６記載の動力伝達軸。
8. 塑性加工がプレス加工である請求項６記載の動力伝達軸。
9. 歯の有効領域で、歯の谷部と歯面との隅部に、両面間のエッジを鈍化させる第二の鈍化部を設けた請求項１記載の動力伝達軸。
10. 歯の拡径領域に相手部材との嵌合部を有する請求項１記載の動力伝達軸。
11. 請求項１〜１０の何れかに記載した動力伝達軸を内側継手部材または外側継手部材に結合した等速自在継手。