JP2006029472A - 中空状動力伝達シャフト - Google Patents

Abstract

【課題】所要の強度を確保しつつ、軽量な中空状動力伝達シャフトを提供する。
【解決手段】動力伝達シャフト１は、軸方向中間部が大径部１ａに形成されると共に、大径部１ａよりも軸方向両側部がそれぞれ小径部１ｂに形成されている。この動力伝達シャフト１は、軸方向中間部を軸方向両側部よりも薄肉に形成したパイプ素材を用い、このパイプ素材の軸方向両側部に対してのみ絞り加工を行なうことによって製造されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、等速自在継手等に連結される中空状動力伝達シャフトに関し、例えば、自動車の動力伝達系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）に適用することができる。

例えば、自動車の動力伝達系において、減速装置（ディファレンシャル）から駆動輪に動力を伝達する動力伝達シャフトは、ドライブシャフト（駆動軸）と呼ばれることがある。特に、ＦＦ車に使用されるドライブシャフトでは、前輪操舵時に大きな作動角と等速性が要求され、また、懸架装置との関係で軸方向の変位を吸収する機能が要求されるので、その一端部をダブルオフセット型等速自在継手やトリポード型等速自在継手等の摺動型等速自在継手を介して減速装置側に連結し、その他端部をバーフィールド型等速自在継手（ゼッパジョイントと呼ばれることもある。）等の固定側等速自在継手を介して駆動輪側に連結する機構が多く採用されている。

上記のようなドライブシャフトとしては、従来、また現在においても、中実シャフトが多く使用されているが、自動車の軽量化、ドライブシャフトの剛性増大による機能向上、曲げ一次固有振動数のチューニング最適化による車室内の静粛性向上等の観点から、近時では、ドライブシャフトを中空シャフト化する要求が増えてきている。

ドライブシャフト等に適用される中空状動力伝達シャフトは、例えば、均一肉厚のパイプ素材に絞り加工を施して、軸方向中間部に大径部、軸方向両側部に小径部を有する中空状シャフト素材を成形し、この中空状シャフト素材に必要に応じて所要の機械加工を施した後、熱処理を施すことによって製造される。この種の中空状動力伝達シャフトは、絞り加工の態様によって、下記の２つの形態に大別することができる。

第１の形態は、大径部に絞り加工が施されておらず、パイプ素材径及び肉厚のまま残されており、大径部を除く軸方向域に絞り加工が施されているものである（例えば、特許文献１。以下、この形態のものを「非減肉タイプ」という。）。第２の形態は、軸方向全域に絞り加工が施されていると共に、大径部はパイプ素材よりも薄肉化されているものである（例えば、特許文献２。以下、この形態のものを「減肉タイプ」という。）。
特開平１１−１０１２５９号公報 特開２００１―２０８０３７号公報

非減肉タイプの中空状動力伝達シャフトは、大径部の肉厚がパイプ素材と同じ肉厚で残されているので、必要とされる強度に対して大径部の肉厚が過剰となり、その分、重量が過大になる。

減肉タイプの中空状動力伝達シャフトは、大径部の減面率（パイプ素材に対する断面積の減少率）が大きくなる場合、絞り加工時の加工負荷が大きくなり、生産性が大幅に低下することがある。

本発明の課題は、所要の強度を確保しつつ、軽量な中空状動力伝達シャフトを提供することである。

本発明の他の課題は、生産性を向上させ、低コストな中空状動力伝達シャフトを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、軸方向中間部が大径部に形成されると共に、大径部よりも軸方向両側部がそれぞれ小径部に形成された中空状動力伝達シャフトにおいて、軸方向中間部を軸方向両側部よりも薄肉に形成したパイプ素材に絞り加工を施して製造された構成を提供する。

パイプ素材の材質としては、例えば、ＳＴＫＭやＳＴＭＡ等の機械構造用炭素鋼、または、それらをベースに加工性や焼入れ性等の改善のために合金元素を添加した合金鋼、あるいは、ＳＣｒ、ＳＣＭ、ＳＮＣＭ等のはだ焼鋼を用いることができる。また、パイプ素材として、継目無管（シームレス管）、電縫管、鍛接管、冷牽管の何れも採用することができる。

また、パイプ素材の具体的な形態としては、例えば、外周部が軸方向に均一径で、軸方向中間部の内周部が軸方向両側部の内周部に対して凹んだ形態のもの、内周部が軸方向に均一径で、軸方向中間部の外周部が軸方向両側部の外周部に対して凹んだ形態のものを採用することができる。何れの形態のパイプ素材も、軸方向中間部の肉厚が軸方向両側部の肉厚よりも小さくなる。

上記の絞り加工としては、スウェージング加工やプレス加工等がある。前者のスウェージング加工には、ロータリースウェージングとリンクタイプスウェージングがあり、その何れも採用することができる。例えば、ロータリースウェージングは、機内の主軸に組込まれた一対又は複数対のダイスとバッカーとが回転運動を行なうと共に、外周ローラとバッカー上の突起により一定ストロークの上下運動を行なって、挿入されるパイプ素材に打撃を加えて絞り加工を行なう加工法である。また、プレス加工は、パイプ素材をダイスに軸方向に押し込んで絞り加工を行なう加工法である。

上記の絞り加工は、パイプ素材の軸方向両側部に対してのみ部分的に行なっても良いし、パイプ素材の軸方向全域に対して行なっても良い。

前者の場合、製造後の中空状動力伝達シャフトにおいて、絞り加工が施されなかった大径部は、パイプ素材の薄肉にされた軸方向中間部（薄肉部）の径及び肉厚がそのまま維持された状態となり、絞り加工による加工硬化の影響も認められない。一方、絞り加工が施された軸方向両側域（主に小径部）には縮径による増肉と加工硬化の影響が認められる。この構成によれば、従来の非減肉タイプのものに比べて、絞り加工が施されなかった大径部の肉厚が小さくなるので、その分、重量軽減が図られる。

後者の場合、製造後の中空状動力伝達シャフトにおいて、大径部は、パイプ素材の薄肉にされた軸方向中間部（薄肉部）の径及び肉厚が縮小され、絞り加工による加工硬化の影響も認められる。また、大径部を除く軸方向両側域（主に小径部）には縮径による増肉と加工硬化の影響が認められる。この構成によれば、従来の減肉タイプのものに比べて、大径部の減面率（パイプ素材に対する断面積の減少率）を小さくできるので、絞り加工時の加工負荷が小さくなり、生産性向上が図られる。

パイプ素材の薄肉部は、パイプ素材の成形時に塑性加工によって設けても良いし、あるいは、均一肉厚のパイプ素材を成形した後に削り加工を施して設けても良い。前者の場合、パイプ素材にファイバーフロー（素材の繊維状組織）の切断部が生じないので、製造後の中空状動力伝達シャフトは安定した強度が得られる。一方、後者の場合は、薄肉部の削り加工によって、パイプ素材の内周部又は外周部にファイバーフロー切断部が生じるが（薄肉部の両側部分に生じる。）、このファイバーフロー切断部が、製造後の中空状動力伝達シャフトにおいて、大径部の最薄肉領域にあると、強度低下が心配される。このような場合、素材寸法や絞り加工等を調整して、ファイバーフロー切断部を大径部の最薄肉領域よりも軸方向両側に位置させると良い。これにより、強度低下の心配を解消して、安定した強度を得ることができる。

本発明によれば、所要の強度を確保しつつ、軽量な中空状動力伝達シャフトを提供することができる。

また、本発明によれば、生産性を向上させ、低コストな中空状動力伝達シャフトを提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。

図１は、中空状の動力伝達シャフト１と、動力伝達シャフト１の一端部に連結された摺動型等速自在継手２と、動力伝達シャフト１の他端部に連結された固定型等速自在継手３とを備えた自動車の動力伝達機構を示している。この実施形態の動力伝達機構において、摺動型等速自在継手２は減速装置（ディファレンシャル）に連結され、固定型等速自在継手３は駆動輪側に連結される。動力伝達シャフト１の一端部は摺動型等速自在継手２のトリポード部材２ａにスプライン連結され、摺動型等速自在継手２の外輪２ｂの端部外周と動力伝達シャフト１の外周にブーツ２ｃがそれぞれ固定されている。また、動力伝達シャフト１の他端部は固定型等速自在継手３の内輪３ａにスプライン連結され、固定型等速自在継手３の外輪３ｂの端部外周と動力伝達シャフト１の外周にブーツ３ｃがそれぞれ固定されている。尚、同図には、摺動型等速自在継手２としてトリポード型等速自在継手が例示され、固定型等速自在継手３としてバーフィールド型等速自在継手が例示されているが、他の型式の等速自在継手が用いられる場合もある。

図２は、動力伝達シャフト（ドライブシャフト）１を示している。この動力伝達シャフト１は、軸方向全域に亘って中空状をなし、軸方向中間部に大径部１ａ、大径部１ａよりも軸方向両側部にそれぞれ小径部１ｂを有している。大径部１ａと小径部１ｂとは、軸端側に向かって漸次縮径したテーパ部１ｃを介して連続している。小径部１ｂは、等速自在継手（２、３）との連結に供される端部側の連結部１ｄと、ブーツ（２ｃ、３ｃ）が固定される軸方向中間部側のブーツ固定部１ｅとを有している。連結部１ｄには、等速自在継手（２、３）にスプライン連結されるスプライン１ｄ１と、等速自在継手（２、３）に対する軸方向抜け止め用の止め輪を装着するための止め輪溝１ｄ２が形成されている。ブーツ固定部１ｅには、ブーツ（２ｃ、３ｃ）の小径端部の内周を嵌合するための嵌合溝１ｅ１が形成されている。

また、この動力伝達シャフト１は、止め輪溝１ｄ２の近傍から軸端に至る一部領域を除く、軸方向のほぼ全域に亘って、焼入れ処理による硬化層を有している。この硬化層は、外周表面から所定深さの領域又は全深さの領域に形成されている。

上記構成の動力伝達シャフト１は、例えば、パイプ素材に絞り加工を施して、軸方向中間部に大径部、軸方向両側部に小径部を有する中空状シャフト素材を成形し、この中空状シャフト素材に所要の機械加工（スプライン１ｄ１の転造加工等）を施した後、焼入れ処理を施すことによって製造される。

図３は、パイプ素材の一例を示している。同図に示すパイプ素材４は、機械構造用炭素鋼管（ＳＴＫＭ）等の材質からなり、外周部は軸方向に均一径であるが、軸方向中間部４ａの内周部が軸方向両側部４ｂの内周部に対して凹んだ形状になっている。これにより、このパイプ素材４は、軸方向中間部４ａの肉厚が軸方向両側部４ｂの肉厚よりも所定量だけ小さくなっている（薄肉部４ａ１）。このようなパイプ素材４の薄肉部４ａ１は、パイプ素材の成形時に塑性加工によって設けても良いし、あるいは、均一肉厚のパイプ素材を成形した後、軸方向中間部の内周部に削り加工を施して設けても良い。前者の場合、パイプ素材４にファイバーフロー（繊維状組織）の切断部は生じないが、後者の場合は、薄肉部４ａ１の削り加工によって内周部のファイバーフローが切断され、薄肉部４ａ１の内周両側部４ａ１１にファイバーフロー切断部が生じる。

上記のパイプ素材４に対して絞り加工、例えばロータリースウェージング加工を施して、軸方向中間部に大径部１ａ、軸方向両側部に小径部１ｂを有する中空状シャフト素材を成形する。この実施形態では、ロータリースウェージング加工をパイプ素材４の軸方向両側部４ｂに対してのみ部分的に行なっている。

そして、上記の中空状シャフト素材の小径部１ｂの端部に転造加工やプレス加工等によってスプライン１ｄ１を成形して連結部１ｄを形成すると共に、連結部１ｄに転造加工や切削加工等によって止め輪溝１ｄ２を形成する。また、ブーツ固定部１ｅとなる部位に転造加工や切削加工等によってブーツ固定溝１ｅ１を形成する。

その後、上記の中空状シャフト素材に焼入れ処理を施して硬化層を形成する。焼入れ処理としては、パイプ素材の材質や動力伝達シャフトに要求される特性等に応じて、高周波焼入れ、浸炭焼入れ、浸炭窒化焼入れ等の種々の手段を採用することができるが、硬化層の範囲や深さを自由に選択でき、また、表面に残留圧縮応力が生成されることによる耐疲労強度の改善等の点から、高周波焼入れを採用するのが好ましい。例えば、中空状シャフト素材の外周表面の側に高周波誘導加熱コイルを配置して、外周表面の側から高周波焼入れを行なう。この高周波焼入れは、定置式焼入れ、移動式焼入れの何れの方式で行なっても良い。

製造後の動力伝達シャフト１において、絞り加工が施されなかった大径部１ａは、パイプ素材４の薄肉部４ａ１の径及び肉厚がそのまま維持された状態となる。また、絞り加工による加工硬化の影響も認められない。一方、絞り加工が施された軸方向両側域（主に小径部１ｂ）には縮径による増肉と加工硬化の影響が認められる。したがって、この実施形態の動力伝達シャフト１は、従来の非減肉タイプのものに比べて、絞り加工が施されなかった大径部１ａの肉厚が小さく、軽量である。

尚、パイプ素材４の薄肉部４ａ１を、パイプ素材の成形時に塑性加工によって設けた場合、製造後の動力伝達シャフト１はファイバーフロー切断部を有しないものとなるので、安定した強度が得られる。一方、薄肉部４ａ１を削り加工によって設けた場合は、製造後の動力伝達シャフト１は内周部にファイバーフロー切断部を有するものとなるが、パイプ素材４の寸法や絞り加工等を調整して、ファイバーフロー切断部を大径部１ａの最薄肉領域（図２に示すａの領域）よりも軸方向両側（図２に示すｂの領域）に位置させると良い。これにより、ファイバーフロー切断部による強度低下の心配を解消して、安定した強度を得ることができる。

図４は、パイプ素材の他の例を示している。同図に示すパイプ素材５は、機械構造用炭素鋼管（ＳＴＫＭ）等の材質からなり、内周部は軸方向に均一径であるが、軸方向中間部５ａの外周部が軸方向両側部５ｂの外周部に対して凹んだ形状になっている。これにより、このパイプ素材５は、軸方向中間部５ａの肉厚が軸方向両側部５ｂの肉厚よりも所定量だけ小さくなっている（薄肉部５ａ１）。また、軸方向中間部５ａの外径Ｄ２は、図３に示すパイプ素材４の軸方向中間部４ａの外径Ｄ１と等しくなっている（Ｄ２＝Ｄ１）。このようなパイプ素材５の薄肉部５ａ１は、パイプ素材の成形時に塑性加工によって設けても良いし、あるいは、均一肉厚のパイプ素材を成形した後、軸方向中間部の外周部に削り加工を施して設けても良い。前者の場合、パイプ素材５にファイバーフロー（繊維状組織）の切断部は生じないが、後者の場合は、薄肉部５ａ１の削り加工によって外周部のファイバーフローが切断され、薄肉部５ａ１の外周両側部５ａ１１にファイバーフロー切断部が生じる。

このような形態のパイプ素材５に対して絞り加工、例えばパイプ素材５の軸方向両側部５ｂに対して部分的にロータリースウェージング加工を施して動力伝達シャフト１を製造すると、図３に示すパイプ素材４を用いる場合に比べて、小径部１ｂの絞り率が大きくなり、小径部１ｂの肉厚が大きくなる。そのため、製造後の動力伝達シャフト１は、より高強度のものとなる。その他の事項は、上述した事項に準じるので、重複する説明を省略する。

図５は、他の実施形態に係る動力伝達シャフト（ドライブシャフト）１１を示している。この動力伝達シャフト１１は、軸方向全域に亘って中空状をなし、軸方向中間部に大径部１１ａ、大径部１１ａよりも軸方向両側部にそれぞれ小径部１１ｂを有している。大径部１１ａと小径部１１ｂとは、軸端側に向かって漸次縮径したテーパ部１１ｃを介して連続している。小径部１１ｂは、等速自在継手（２、３）との連結に供される端部側の連結部１１ｄと、ブーツ（２ｃ、３ｃ）が固定される軸方向中間部側のブーツ固定部１１ｅとを有している。連結部１１ｄには、等速自在継手（２、３）にスプライン連結されるスプライン１１ｄ１と、等速自在継手（２、３）に対する軸方向抜け止め用の止め輪を装着するための止め輪溝１１ｄ２が形成されている。ブーツ固定部１１ｅには、ブーツ（２ｃ、３ｃ）の小径端部の内周を嵌合するための嵌合溝１１ｅ１が形成されている。

この実施形態の動力伝達シャフト１１は、例えば、図３に示す形態のパイプ素材４又は図４に示す形態のパイプ素材５の軸方向全域に絞り加工（ロータリースウェージング加工等）を施して、軸方向中間部に大径部１１ａ、軸方向両側部に小径部１１ｂを有する中空状シャフト素材を成形し、この中空状シャフト素材に所要の機械加工（スプライン１１ｄ１の転造加工等）を施した後、焼入れ処理を施すことによって製造される。

製造後の動力伝達シャフト１１において、大径部１１ａは、パイプ素材４（又は５）の薄肉部４ａ１（又は５ａ１）の径及び肉厚が縮小され、絞り加工による加工硬化の影響も認められる。また、大径部１１ａを除く軸方向両側域（主に小径部１１ｂ）には縮径による増肉と加工硬化の影響が認められる。この実施形態の動力伝達シャフト１１は、従来の減肉タイプのものに比べて、大径部１１ａの減面率（パイプ素材に対する断面積の減少率）を小さくできるので、絞り加工時の加工負荷が小さくなり、生産性向上が図られる。その他の事項は、上述した実施形態に準じるので、重複する説明を省略する。

自動車の動力伝達機構を示す図である。 実施形態に係る動力伝達シャフトを示す一部断面図である。 中空パイプ素材の一例を示す断面図である。 中空パイプ素材の他の例を示す断面図である。 他の実施形態に係る動力伝達シャフトを示す一部断面図である。

符号の説明

１、１１ 動力伝達シャフト
１ａ、１１ａ 大径部
１ｂ、１１ｂ 小径部
４ パイプ素材
４ａ 軸方向中間部
４ａ１ 薄肉部
４ｂ 軸方向両側部
５ パイプ素材
５ａ 軸方向中間部
５ａ１ 薄肉部
５ｂ 軸方向両側部

Claims (4)

1. 軸方向中間部が大径部に形成されると共に、該大径部よりも軸方向両側部がそれぞれ小径部に形成された中空状動力伝達シャフトにおいて、
   軸方向中間部を軸方向両側部よりも薄肉に形成したパイプ素材に絞り加工を施して製造したことを特徴とする中空状動力伝達シャフト。
2. 前記絞り加工が、前記大径部を除く軸方向域に施されている請求項１に記載の中空状動力伝達シャフト。
3. 前記絞り加工が、軸方向全域に施されている請求項１に記載の中空状動力伝達シャフト。
4. 内周部又は外周部に素材組織のファイバーフロー切断部があり、該ファイバーフロー切断部が、前記大径部の最薄肉領域よりも軸方向両側に位置していることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の中空状動力伝達シャフト。

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