JP2006144934A - 動力伝達シャフト - Google Patents

Abstract

【課題】外表面の圧縮残留応力とは異なる管理指標に基づき、ねじり疲労強度の評価が可能な動力伝達シャフトを提供する。
【解決手段】外周セレーション１ａ、１ｂなどが形成された動力伝達シャフトであって、外周セレーション１ａ、１ｂの切り上がり部１ｃの外表面からの深さ３０μｍ、さらには外表面からの深さ５０μｍにおける圧縮残留応力を管理指標にして、ねじり疲労強度の評価を行う。そして、外表面からの深さ３０μｍ、さらには外表面からの深さ５０μｍにおいて、１１５０ＭＰａ以上の圧縮残留応力を有するようにすると、高いねじり疲労強度を確保することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車や産業機械などに用いられる動力伝達シャフトに関するものである。

自動車や産業機械に用いられる動力伝達シャフトには、軽量化及び高強度化の要請がある。そして、高強度化としては、静的強度及びねじり疲労強度の高強度化が求められている。そこで、静的強度及びねじり疲労強度の高強度化を図る動力伝達シャフトが、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された動力伝達シャフトは、ねじり疲労強度を高める部位にはショットピーニング処理を行うことが記載されている。なお、ショットピーニング処理を行うことで、圧縮残留応力が付与されてねじり疲労強度を高めることができる。

また、特許文献２には、ショットピーニング処理を行うことにより外表面の圧縮残留応力を例えば８５０ＭＰａ以上にすることで、ねじり疲労強度を確実に高めることができることが記載されている。さらに、当該特許文献２には、外表面の圧縮残留応力を大きくするために２段ショットピーニング処理を行うことが記載されている。２段ショットピーニング処理とは、異なる条件のショットピーニング処理を２回行うことである。つまり、従来は、ねじり疲労強度を高めるために、ショットピーニング処理を行い、外表面の圧縮残留応力を管理指標としていた。
特開２００３−３０７２１１号公報 特許第３３７４６６７号公報

ところで、ねじり疲労強度のさらなる向上を図ることが求められると共に、例えば、１回のショットピーニング処理により行うなどの簡易な処理により行うことが求められている。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、外表面の圧縮残留応力とは異なる管理指標に基づきねじり疲労強度の評価が可能な動力伝達シャフトを提供することを目的とする。

そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、外表面の圧縮残留応力ではなく外表面から所定深さの部位における圧縮残留応力を管理指標とすることがねじり疲労強度の向上に有効であることを見いだし、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の動力伝達シャフトは、外周面に軸方向切欠部が形成された動力伝達シャフトであって、前記軸方向切欠部の軸方向端部の外表面から深さ３０μｍにおいて１１５０ＭＰａ以上の圧縮残留応力を有することを特徴とする。さらに、前記軸方向端部の外表面から深さ５０μｍにおいて１１５０ＭＰａ以上の圧縮残留応力を有するようにするとより好ましい。

本発明の動力伝達シャフトによれば、外表面からの深さが３０μｍの部位における圧縮残留応力を第１の管理指標としている。このように、外表面からの深さが３０μｍの部位における圧縮残留応力を管理指標とすることで、ねじり疲労強度を適切に評価することができる。そして、外表面からの深さが３０μｍの部位における圧縮残留応力を１１５０ＭＰａ以上とすることにより、ねじり疲労強度を十分に向上させることができる。

例えば、外表面の圧縮残留応力が１２００ＭＰａ以上であって、外表面からの深さが３０μｍの部位の圧縮残留応力が１１５０ＭＰａ未満の動力伝達シャフトのねじり疲労強度と、外表面の圧縮残留応力が１２００ＭＰａ未満であって、外表面からの深さが３０μｍの部位の圧縮残留応力が１１５０ＭＰａ以上の動力伝達シャフトのねじり疲労強度とを比較した場合には、後者の方がねじり疲労強度が高くなることが分かった。このことからも、外表面の圧縮残留応力を管理指標とするよりも、外表面から所定深さの部位における圧縮残留応力を管理指標とする方が、より適切であることが明らかである。

さらに、本発明の動力伝達シャフトによれば、外表面からの深さが５０μｍの部位における圧縮残留応力を第２の管理指標としている。このように、上記第１の管理指標に加えて、外表面からの深さが５０μｍの部位における圧縮残留応力を管理指標とすることで、さらに高いねじり疲労強度を評価することができる。そして、外表面からの深さが３０μｍ及び５０μｍの部位における圧縮残留応力を１１５０ＭＰａ以上とすることにより、ねじり疲労強度をさらに向上させることができる。

さらに、外表面から所定深さの部位における圧縮残留応力を管理指標とすることにより、以下の効果も奏する。動力伝達シャフトに圧縮残留応力を付与するために、ショットピーニング処理を行う場合がある。そして、１回のショットピーニング処理（１段ショットピーニング処理）を行う場合には、最大の圧縮残留応力が付与される部位が、外表面ではなく、外表面から例えば１０μｍ以上の深さの部位となる。従って、外表面の圧縮残留応力がそれほど大きくないとしても、外表面から所定深さ（３０μｍ、５０μｍ）の部位における圧縮残留応力を１１５０ＭＰａ以上とすれば、ねじり疲労強度を十分に確保することができることになる。

一方、従来のように外表面の圧縮残留応力のみを管理指標とすると、１段ショットピーニング処理では管理値以上の外表面の圧縮残留応力でない場合には、２回のショットピーニング処理（２段ショットピーニング処理）を行うなどの必要が生じる。このため、十分なねじり疲労強度を確保しているとしても、従来の管理指標では適切な判断できないため、２段ショットピーニング処理を行う場合があった。

それに対し、外表面から所定深さの部位における圧縮残留応力を管理指標とすることにより、２段ショットピーニング処理を行うことなく、１段ショットピーニング処理で十分である場合を確実に判断することができる。つまり、本発明によれば、従来に比べて簡易な処理（例えば、１段ショットピーニング処理）により、従来と同等またはそれ以上のねじり疲労強度を確保することができる。

以下、本発明の動力伝達シャフト、軸方向切欠部、及び、圧縮残留応力の付与方法について詳細に説明する。

（１）動力伝達シャフト
本発明の動力伝達シャフトは、自動車及び産業機械などに用いられることは、上述したとおりである。特に、自動車に用いられる動力伝達シャフトとしては、自在継手に連結される自動車用動力伝達シャフトなどである。例えば、動力伝達シャフトは、等速ジョイントなどの自在継手が両端側に連結された中間シャフトである。なお、動力伝達シャフトは、金属材料からなり、例えば、鉄を主成分とする鉄系の材料からなる。

また、本発明の動力伝達シャフトは、少なくとも軸方向切欠部に熱処理が施されることが通常である。そして、熱処理が施された後に、軸方向切欠部の軸方向端部に本発明の圧縮残留応力を付与する。なお、この圧縮残留応力の付与は、後述するように、例えばショットピーニング処理により行われる。つまり、本発明の動力伝達シャフトは、例えばショットピーニング処理の前に前記軸方向切欠部に熱処理が施されることになる。このように熱処理を施すことにより、少なくとも静的強度を十分に確保することができる。なお、熱処理としては、例えば、高周波焼入れ、浸炭焼入れ、窒化、炎焼入れなどである。

（２）軸方向切欠部
本発明の軸方向切欠部は、軸方向断面で見た場合に、凹みが形成される部分である。この凹みは、周方向全周に凹みが形成される場合や、周方向の一部に凹みが形成される場合などがある。例えば、動力伝達シャフトが自在継手に連結される自動車用動力伝達シャフトの場合には、周方向全周に凹みが形成される軸方向切欠部は、自在継手を被覆するブーツが取付けられる部分などである。また、周方向の一部に凹みが形成される軸方向切欠部は、自在継手が組付けられる部位などであって、外周側のセレーションやキー溝などである。

このような軸方向切欠部が形成された動力伝達シャフトのねじり疲労強度は、軸方向切欠部のうちの特に軸方向端部が特に低い。そこで、圧縮残留応力を付与することにより、軸方向切欠部の軸方向端部のねじり疲労強度を補強することができる。ここで、軸方向切欠部の軸方向端部とは、凹みの底面が外周側への切り上がる部分である。例えば、軸方向切欠部が周方向全周に形成された凹みの場合には、軸方向端部は当該凹みの軸方向両端部の部分である。また、軸方向切欠部がセレーションなどの周方向の一部に形成された凹みの場合には、軸方向端部はセレーションの切り上がり部である。

（３）圧縮残留応力の付与方法
本発明の圧縮残留応力の付与は、ショットピーニング処理により行われる。このショットピーニング処理は、平均粒半径が前記軸方向端部の最小曲率半径の３分の１〜３分の２の半径で、硬度が前記軸方向端部の処理前外表面硬度より５０〜３００Ｈｖ高い硬度からなる投射材を５５〜９０ｍ／ｓｅｃの速度で前記軸方向端部に投射する処理である。このようなショットピーニング処理により、確実に外表面から所定深さの部位に１１５０ＭＰａ以上の圧縮残留応力を付与することができる。

ここで、軸方向端部がセレーションの切り上がり部の場合、前記最小曲率半径の部分は、セレーションの切り上がり部の径方向断面から見た場合におけるセレーションの歯底の両端部分となる。また、処理前外表面硬度とは、ショットピーニング処理が施される前の動力伝達シャフトの外表面硬度である。

なお、投射材の平均粒半径を前記軸方向端部の最小曲率半径の３分の２以下とすることにより、確実に最小曲率半径の部分に投射材を投射することができるので、この部分に圧縮残留応力を確実に付与することができる。また、投射材の平均粒半径を前記軸方向端部の最小曲率半径の３分の１以上とすることにより、外表面から所定深さに１１５０ＭＰａ以上の圧縮残留応力を付与することができる。なお、投射材の平均粒半径は、前記軸方向端部の最小曲率半径の３分の２付近がより好ましい。これにより、大きな圧縮残留応力を付与することができる。つまり、より高いねじり疲労強度を得ることができる。

次に、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。

（１）自動車用ドライブシャフトの構成
本発明の動力伝達シャフトとして、自動車用ドライブシャフトに用いられる中間シャフトを例に挙げて説明する。まず、自動車用ドライブシャフトについて、図１を参照して説明する。図１は、自動車用ドライブシャフトの軸方向断面図を示す。図１に示すように、自動車用ドライブシャフトは、中間シャフト１と、インボードジョイント２と、アウトボードジョイント３と、ブーツ４、５とから構成されている。

（１．１）中間シャフト１
中間シャフト１は、中実の棒状からなる動力伝達シャフトである。つまり、中間シャフト１は、インボードジョイント２の駆動軸側から入力される動力をアウトボードジョイント３の被駆動軸側に伝達する。この中間シャフト１の両端部の外周面には、軸方向に平行な外周セレーション１ａ、１ｂが形成されている。

ここで、中間シャフト１の一端側に形成された外周セレーション１ａについて図２を参照して詳細に説明する。図２（ａ）は、外周セレーション１ａの部分の軸方向断面図を示す。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図、すなわち、外周セレーション１ａの切り上がり部１ｃの拡大図を示す。

図２（ａ）に示すように、中間シャフト１に形成された外周セレーション１ａは、中間シャフト１の軸方向中央側（図２の右側）に切り上がり部（軸方向端部）１ｃが形成されている。この切り上がり部１ｃは、外周セレーション１ａを形成する歯底面が徐々に外周側に向かって傾斜している部分である。また、図２（ｂ）に示すように、切り上がり部１ｃを含む外周セレーション１ａの歯溝部（軸方向切欠部）の径方向断面形状は、インボリュート曲線からなる側面部分と歯底部分とからなる。ここで、歯溝部のうち最小曲率半径となる部分は、径方向断面から見た場合における歯底部分の両端部分１ｄとなる。なお、中間シャフト１の他端側に形成された外周セレーション１ｂは、上述した中間シャフト１の一端側の外周セレーション１ａとほぼ同様の形状からなる。

さらに、中間シャフト１のうち外周セレーション１ａ、１ｂの軸方向中央側近傍には、ブーツ取付用凹溝（軸方向切欠部）１ｅ、１ｆが形成されている。このブーツ取付用凹溝１ｅ、１ｆは、軸方向断面方向から見た場合に凹溝状からなり、周方向全周に形成されている。このブーツ取付用凹溝１ｅ、１ｆは、後述するブーツ４、５の一端側を係合固定するための部分である。

（１．２）インボードジョイント２
インボードジョイント２は、スライド式トリポード型ジョイントからなる等速ジョイントである。このスライド式トリポード型ジョイントからなるインボードジョイント２は、図１に示すように、中間シャフト１の動力入力側に連結されている。このインボードジョイント２は、トリポード型インナ部材１１と、トリポード型ローラ１２と、トリポード型アウタ部材１３とから構成される。

トリポード型インナ部材１１は、ボス部２１と３本のトラニオン軸２２とからなる。ボス部２１は、略円筒状からなり、内周面に内周セレーション２１ａが形成されている。そして、このボス部２１の内周セレーション２１ａは、中間シャフト１の一端側の外周セレーション１ａに圧入噛合される。すなわち、トリポード型インナ部材１１は、中間シャフト１に一体的に結合される。また、各トラニオン軸２２は、略円柱状からなり、ボス部２１の外周側に放射状外方に延びるように配置されている。

トリポード型ローラ１２は、外周面が部分球面状に形成された略円筒状からなる。このトリポード型ローラ１２は、トリポード型インナ部材１１の各トラニオン軸２２の外周面に回転自在に配置されている。

トリポード型アウタ部材１３は、駆動軸部３１と、有底筒状からなり駆動軸部３１の一端側が筒状外方に一体成形された筒部３２とからなる。筒部３２の内周面には、軸方向に平行な３本の案内溝３２ａが形成されている。この案内溝３２ａは、各トリポード型ローラ１２が周方向に係合すると共に軸方向に転動可能とされている。さらに、筒部３２の外周面には、後述するブーツ４の他端側を係合固定するためのブーツ取付用凹溝３２ｂが形成されている。このブーツ取付用凹溝３２ｂは、軸方向断面方向から見た場合に凹溝状からなり、周方向全周に形成されている。

（１．３）アウトボードジョイント３
アウトボードジョイント３は、固定式ボールジョイントからなる等速ジョイントである。この固定式ボールジョイントからなるアウトボードジョイント３は、図１に示すように、中間シャフト１の動力出力側に連結されている。このアウトボードジョイント３は、ボール型インナ部材４１と、ボール型アウタ部材４２と、ケージ４３と、ボール４４とから構成される。

ボール型インナ部材４１は、略円筒状からなる。このボール型インナ部材４１の最外周面４１ａは、軸方向断面で見た場合に一様な円弧、つまり部分球面状に形成されている。さらに、ボール型インナ部材４１の外周面には、径方向断面で見た場合に等間隔に６つの円弧凹状からなるインナ側ボール溝４１ｂが軸方向に平行に形成されている。さらに、ボール型インナ部材４１の内周面には、内周セレーション４１ｃが形成されている。このボール型インナ部材４１の内周セレーション４１ｃは、中間シャフト１の他端側の外周セレーション１ｂが圧入噛合される。すなわち、ボール型インナ部材４１は、中間シャフト１に一体的に結合される。

ボール型アウタ部材４２は、被駆動軸５１と、有底筒状からなり被駆動軸５１の一端側が筒状外方に一体成形された筒部５２とからなる。筒部５２の最内周面５２ａは、軸方向断面で見た場合に一様な円弧、つまり部分球面状に形成されている。さらに、筒部５２の内周面には、径方向断面で見た場合に等間隔に６つの円弧凹状からなるアウタ側ボール溝５２ｂが軸方向に平行に形成されている。さらに、筒部５２の外周面には、後述するブーツ５の他端側を係合固定するためのブーツ取付用凹溝５２ｃが形成されている。このブーツ取付用凹溝５２ｂは、軸方向断面方向から見た場合に凹溝状からなり、周方向全周に形成されている。

ケージ４３は、略円筒状からなり、ボール型インナ部材４１とボール型アウタ部材４２の筒部５２との間に配置されている。このケージ４３の内周面は、ボール型インナ部材４１の最外周面４１ａに対応する形状に形成されている。また、ケージ４３の外周面は、ボール型アウタ部材４２の筒部５２の最内周面５２ａに対応する形状に形成されている。すなわち、ケージ４３は、ボール型インナ部材４１及びボール型アウタ部材４２に接触することなく相対的に回転できるようになっている。さらに、ケージ４３には、等間隔に６つの円形孔が形成されている。

ボール４４は、ボール型インナ部材４１のインナ側ボール溝４１ｂ及びボール型アウタ部材４２の筒部５２のアウタ側ボール溝５２ａに転動自在で周方向に係合している。さらに、ボール４４は、ケージ４３の円形孔に挿通されている。つまり、ボール４４により、ボール型インナ部材４１の回転がボール型アウタ部材４２へ伝達されている。

（１．４）ブーツ４，５
ブーツ４は、蛇腹状に形成され、一端側が中間シャフト１のブーツ取付用凹溝１ｅに固定され、他端側がインボードジョイント２のブーツ取付用凹溝３２ｂに固定されている。また、ブーツ５は、蛇腹状に形成され、一端側が中間シャフト１のブーツ取付用凹溝１ｆに固定され、他端側がアウトボードジョイント３のブーツ取付用凹溝５２ｃに固定されている。

（２）中間シャフト１の製造方法
次に、上述した中間シャフト１の製造方法について説明する。まず、中間シャフト１は、略棒状の鋼材からなる素材に外周セレーション１ａ、１ｂ及びブーツ取付用凹溝１ｅ、１ｆが加工形成される。例えば、外周セレーション１ａ、１ｂは転造により形成され、ブーツ取付用凹溝１ｅ、１ｆは旋削加工により形成される。

続いて、中間シャフト１の軸方向全長に亘って、高周波焼入れによる熱処理が施される。ここで、シャフト半径をｒとして、熱処理を施す外表面からの深さをｔとした場合に、中間シャフト１の外周セレーション１ａ、１ｂ及びブーツ取付用凹溝１ｅ、１ｆの部分は、ｔ／ｒ＝０．４５〜０．５程度としている。その後、中間シャフト１の外周セレーション１ａ、１ｂ及びブーツ取付用凹溝１ｅ、１ｆの部分にショットピーニング処理が施される。ここで、外周セレーション１ａ、１ｂに施すショットピーニング処理についての詳細は後述する。なお、高周波焼入れにより静的強度及び疲労強度を高めることができ、さらにショットピーニング処理を行うことによりねじり疲労強度をより高めることができる。

（３）ショットピーニング処理
次に、中間シャフト１の外周セレーション１ａ、１ｂの部分に施すショットピーニング処理を種々の条件について行い、それぞれの場合におけるねじり疲労強度について評価した。以下に、ショットピーニング処理前の中間シャフト１の形状・硬度、ショットピーニング処理の条件、ショットピーニング処理後の圧縮残留応力分布、ねじり疲労試験、ねじり疲労強度の評価結果について説明する。

（３．１）ショットピーニング処理前の中間シャフト１の形状・硬度等
まず、ショットピーニング処理を施す前の中間シャフト１について説明する。この中間シャフト１の外周セレーション１ａ、１ｂは、セレーションモジュールが１．０５８３３である。そして、セレーション１ａ、１ｂの切り上がり部１ｃの最小曲率半径は、０．１５ｍｍである。この最小曲率半径の部分は、上述したように、図２（ｂ）に示すセレーション１ａの歯底部分の両端部分１ｄである。また、ショットピーニング処理前におけるセレーション１ａ、１ｂの切り上がり部１ｃの外表面硬度は、７００Ｈｖである。すなわち、ショットピーニング処理の前に行う熱処理により、表面硬度（処理前外表面硬度）が７００Ｈｖとなるようにしている。また、熱処理が施された中間シャフト１は、外表面の圧縮残留応力が約２３０ＭＰａであって、外表面からの深さが深くなるほど圧縮残留応力が徐々に小さくなっている。

（３．２）ショットピーニング処理の条件
次に、ショットピーニング処理の条件について説明する。ショットピーニング処理の条件は、表１に示すように、ｃａｓｅ１〜ｃａｓｅ６の６種類の条件とした。表１に示すように、これらの条件は、投射材の種類及びアークハイトを異なる条件としている。具体的には、投射材の材質・平均粒径（直径）・平均硬度及びアークハイトを異なる条件としている。

つまり、表１に示すように、投射材の材質は、ｃａｓｅ１，３，４，６がスチールであり、ｃａｓｅ２，５がアモルファス合金である。また、投射材の平均粒径（直径）は、ｃａｓｅ１，２が２００μｍ、ｃａｓｅ３，４が１００μｍ、ｃａｓｅ５，６が５０μｍである。すなわち、ｃａｓｅ１，２の投射材の平均粒半径は切り上がり部１ｃの最小曲率半径の３分の２であり、ｃａｓｅ３，４の投射材の平均粒半径は切り上がり部１ｃの最小曲率半径の３分の１であり、ｃａｓｅ５，６の投射材の平均粒半径は切り上がり部１ｃの最小曲率半径の６分の１である。

投射材の平均硬度は、ｃａｓｅ１，３，６が７８９Ｈｖで、ｃａｓｅ２，５が９２５Ｈｖで、ｃａｓｅ４が５６０Ｈｖである。すなわち、ｃａｓｅ１，３，６の投射材の平均硬度は処理前外表面硬度に比べて８９Ｈｖ高く、ｃａｓｅ２，５の投射材の平均硬度は処理前外表面硬度に比べて２２５Ｈｖ高く、ｃａｓｅ４の投射材の平均硬度は処理前外表面硬度に比べて１４０Ｈｖ低い。

また、投射量、投射角度、投射距離、製品回転数、エアー圧、噴射方式、投射時間、投射方向数、カバレージは、表１に示すように、すべて一定の条件とした。ここで、投射角度とは、中間シャフト１の軸心に対する角度である。製品回転数とは、ショットピーニング処理の対象製品である中間シャフト１の回転数である。なお、投射材の投射速度は、エアー圧及び投射材の平均粒径に基づき決定されるが、すべての条件の投射速度が５５〜９０ｍ／ｓｅｃである。

（３．３）ショットピーニング処理後の圧縮残留応力
ここで、上述したショットピーニング処理を施した後の中間シャフト１の外周セレーション１ａ、１ｂの切り上がり部１ｃにおける圧縮残留応力について測定した。具体的には、切り上がり部１ｃにおける外表面からの深さに対する圧縮残留応力を測定した。圧縮残留応力の測定は、外表面から軸心側に向かって電解研磨により掘っていき、外表面からの所定深さ毎に圧縮残留応力をＸ線応力測定機により測定した。なお、比較のため、ショットピーニング処理を行う前の中間シャフト１の外周セレーション１ａ、１ｂの切り上がり部１ｃにおける圧縮残留応力についても測定した。

この測定結果を図３に示す。図３は、外周セレーション１ａ、１ｂの切り上がり部１ｃの外表面からの深さに対する残留応力分布を示す。なお、縦軸の残留応力の符号が負であるのは、圧縮残留応力であることを意味する。

図３に示すように、ｃａｓｅ１の場合には、外表面の圧縮残留応力が１１１５ＭＰａで、外表面からの深さが約４５μｍの付近で最大の圧縮残留応力である約１３７０ＭＰａとなっている。ｃａｓｅ２の場合は、外表面の圧縮残留応力が１０４６ＭＰａで、外表面からの深さが約３５μｍの付近で最大の圧縮残留応力である約１２９６ＭＰａとなっている。ｃａｓｅ３の場合は、外表面の圧縮残留応力が１０８７ＭＰａで、外表面からの深さが約１７μｍの付近で最大の圧縮残留応力である約１４３４ＭＰａとなっている。

ｃａｓｅ４の場合は、外表面の圧縮残留応力が５５８ＭＰａで、外表面からの深さが約２０μｍの付近で最大の圧縮残留応力である約１０８０ＭＰａとなっている。ｃａｓｅ５の場合は、外表面の圧縮残留応力が１４１７ＭＰａで、外表面からの深さが約７μｍの付近で最大の圧縮残留応力である約１４４９ＭＰａとなっている。ｃａｓｅ６の場合は、外表面の圧縮残留応力が１１５６ＭＰａで、外表面からの深さが約９μｍの付近で最大の圧縮残留応力である約１３８８ＭＰａとなっている。なお、ショットピーニング処理前の中間シャフト１は、外表面の圧縮残留応力が２２７ＭＰａで、外表面からの深さが深くなるほど圧縮残留応力は小さくなっている。

（３．４）ねじり疲労試験
上述したそれぞれの条件からなるショットピーニング処理を施した中間シャフト１及びショットピーニング処理を施していない中間シャフト１に対して、以下のねじり疲労試験を行った。ねじり疲労試験は、中間シャフト１の両端の外周セレーション１ａ、１ｂを把持して、７００Ｎｍのトルクを回転方向を交互に変えながら付与することにより行う。このトルクの付与を中間シャフト１に破断が生じるまで継続する。そして、トルクの付与回転方向を変更した場合のカウント数を１回として、中間シャフト１に破断が生じるまでのカウント数を計測した。なお、中間シャフト１に破断が生じる箇所は、通常、外周セレーション１ａ、１ｂの切り上がり部１ｃとなる。

（３．５）ねじり疲労強度の評価結果
上述したねじり疲労試験の測定結果について、図４を参照して説明する。図４は、ねじり疲労試験の測定結果を示す。すなわち、図４は、ショットピーニング処理の条件毎に、中間シャフト１に破断が生じるまでのカウント数を示す。図４に示すように、ｃａｓｅ１のカウント数は、１１７万４９９回、ｃａｓｅ２のカウント数は、７５万３４９回、ｃａｓｅ３のカウント数は、５３万７２８２回であった。ｃａｓｅ４のカウント数は、２３万２９６５回、ｃａｓｅ５のカウント数は、１２万３４９５回、ｃａｓｅ６のカウント数は、１０万４０４４回であった。また、ショットピーニング処理を施さない場合には、１３万８４２７回であった。ここで、カウント数が大きいほど、ねじり疲労強度が高いことになる。

つまり、図４から明らかなように、ｃａｓｅ１〜３のショットピーニング処理を施した場合には、ｃａｓｅ４〜６のショットピーニング処理を施した場合及びショットピーニング処理を施さない場合に比べて、ねじり疲労強度が非常にねじり疲労強度が高くなっている。

ここで、図４のねじり疲労試験の測定結果に加えて、上述した図３の外周セレーション１ａ、１ｂの切り上がり部１ｃの外表面からの深さに対する残留応力分布を示す図を参照しながら、ねじり疲労強度の評価を行う。

最もねじり疲労強度が高いｃａｓｅ１，２のショットピーニング処理の場合は、外表面から深い位置まで大きな圧縮残留応力を有している。また、次にねじり疲労強度が高いｃａｓｅ３のショットピーニング処理の場合には、ｃａｓｅ１，２の場合ほどではないが、他のｃａｓｅに比べると、外表面から深い位置まで大きな圧縮残留応力を有している。なお、ｃａｓｅ１〜３の何れの場合の外表面の圧縮残留応力は、１０００ＭＰａ程度以上となっている。一方、ねじり疲労強度がそれほど高くないｃａｓｅ４，５のショットピーニング処理の場合には、外表面の圧縮残留応力は１０００ＭＰａ以上の大きな圧縮残留応力を有しているが、外表面から３０μｍ以上深い位置における圧縮残留応力は小さい。

さらに詳細に考察すると、ｃａｓｅ１〜３とｃａｓｅ４〜６とを比較すると、外表面からの深さ３０μｍ及び５０μｍの圧縮残留応力について顕著な差異が見られる。つまり、ｃａｓｅ１は、外表面からの深さ３０μｍ及び５０μｍにおける圧縮残留応力が何れも約１３００ＭＰａである。ｃａｓｅ２は、外表面からの深さ３０μｍの圧縮残留応力が約１２５０ＭＰａで、外表面からの深さ５０μｍの圧縮残留応力が約１２３０ＭＰａである。また、ｃａｓｅ３は、外表面からの深さ３０μｍの圧縮残留応力が約１２３０ＭＰａで、外表面からの深さ５０μｍの圧縮残留応力が約約４００ＭＰａである。一方、ｃａｓｅ４〜６は、外表面からの深さ３０μｍ及び５０μｍの圧縮残留応力が、１０００ＭＰａ以下である。

上記考察の結果、以下のことが言える。第１に、外表面からの深さ３０μｍにおいて圧縮残留応力が１１５０ＭＰａ以上有する場合、すなわち、圧縮残留応力分布が図３に示す第１基準点より下側を通過する場合には、ねじり疲労強度が高い。第２に、上記第１に加えて、外表面からの深さ５０μｍにおいて圧縮残留応力が１１５０ＭＰａ以上有する場合、すなわち、圧縮残留応力分布が図３に示す第２基準点より下側を通過する場合には、ねじり疲労強度がさらに高い。第３に、上記第１及び第２に加えて、外表面の圧縮残留応力を１０００ＭＰａ以上とすることで、ねじり疲労強度が確実に高くなる。

また、高いねじり疲労強度の中間シャフト１を生成するためのショットピーニング処理方法としては、外周セレーション１ａ、１ｂの切り上がり部１ｃの最小曲率半径の３分の１〜３分の２の平均粒半径で、外周セレーション１ａ、１ｂの切り上がり部１ｃの処理前外表面硬度より５０〜３００Ｈｖ高い硬度からなる投射材を用い、この投射材を５５〜９０ｍ／ｓｅｃの速度で投射する方法が適切であると言える。

自動車用ドライブシャフトの軸方向断面図を示す。 外周セレーション１ａの部分図を示す。 外周セレーション１ａ、１ｂの切り上がり部１ｃの外表面からの深さに対する残留応力分布を示す。 ねじり疲労試験の測定結果を示す。

符号の説明

１：中間シャフト、 １ａ、１ｂ：外周スプライン（軸方向切欠部）、 １ｃ：切り上がり部（軸方向端部）、 １ｄ：歯底部分の両端部分（最小曲率半径の部分）、 １ｅ、１ｆ：ブーツ取付用凹溝（軸方向切欠部）、 ２：インボードジョイント、 ３：アウトボードジョイント、 ４、５：ブーツ、 １１：トリポード型インナ部材、 １２：トリポード型ローラ、 １３：トリポード型アウタ部材、 ２１：ボス部、 ２１ａ：内周スプライン、 ２２：トラニオン軸、 ３１：駆動軸部、 ３２：筒部、 ３２ａ：案内溝、 ４１：ボール型インナ部材、 ４１ａ：最外周面、 ４１ｂ：インナ側ボール溝、 ４１ｃ：内周スプライン、 ４２：ボール型アウタ部材、 ４３：ケージ、 ４４：ボール、 ５１：被駆動軸、 ５２：筒部、 ５２ａ：最内周面、 ５２ｂ：アウタ側ボール溝

Claims (6)

1. 外周面に軸方向切欠部が形成された動力伝達シャフトであって、
   前記軸方向切欠部の軸方向端部の外表面から深さ３０μｍにおいて１１５０ＭＰａ以上の圧縮残留応力を有することを特徴とする動力伝達シャフト。
2. さらに、前記軸方向端部の外表面からの深さ５０μｍにおいて１１５０ＭＰａ以上の圧縮残留応力を有することを特徴とする請求項１記載の動力伝達シャフト。
3. 前記圧縮残留応力は、平均粒半径が前記軸方向端部の最小曲率半径の３分の１〜３分の２の半径で、硬度が前記軸方向端部の処理前外表面硬度より５０〜３００Ｈｖ高い硬度からなる投射材を５５〜９０ｍ／ｓｅｃの速度で前記軸方向端部に投射するショットピーニング処理により付与され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. 前記動力伝達シャフトは、前記ショットピーニング処理の前に前記軸方向端部に熱処理が施されることを特徴とする請求項３記載の動力伝達シャフト。
5. 前記軸方向切欠部は、セレーションであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の動力伝達シャフト。
6. 前記動力伝達シャフトは、自在継手に連結される自動車用動力伝達シャフトであり、
   前記軸方向切欠部は、前記自在継手に組み付ける部位であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の動力伝達シャフト。

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