JP2007064262A - 等速自在継手 - Google Patents

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Abstract

【課題】 車輪用軸受装置の内輪端面と当接する内輪端面突き当て面が、フレッティングや軸受内輪のクリープ等による耐摩耗性に優れ、加工性の低下やコストの増加を招く高強度材料の使用や調質の追加をする事無くカップ部の強度に優れた等速自在継手を提供する。
【解決手段】 等速自在継手１は、継手外輪４がカップ部9の外底免9ａから突出するステム部10を有し、このステム部１０が車輪用軸受装置２のハブ２７の貫通孔３１に挿通される。継手外輪４は、ハブ２７の外周に嵌合した軸受内輪２８の端面に当接する内輪端面突き当て面９ａａをカップ部９の外底面９ａに有する。継手外輪４は鋼材の鍛造品であり、母材部分が標準組織である。継手外輪４は、外表層の一部が非標準組織の部分３０とされ、前記非標準組織は、上部ベイナイト組織、下部ベイナイト組織、焼戻マルテンサイト組織のうちのいずれか、もしくはこれらの組織のうちの２種類以上の混合組織である。
【選択図】図１

Description

この発明は、車輪用軸受装置に結合して用いられる等速自在継手に関する。
駆動輪支持用の車輪用軸受装置は、等速自在継手のアウトボード側の継手外輪とナットで締め付けられ、駆動力を伝達する。等速自在継手の継手外輪は、軸受の内輪と当接しているが、自動車の旋回時に車輪用軸受装置と等速自在継手間にかかる曲げモーメントにより、軸受内輪端面と継手外輪のバックフェイス面となる内輪端面突き当て面がフレッティングにより、または軸受内輪のクリープにより摩耗を起こすことがある。継手外輪の内輪端面突き当て面が摩耗を起こすと、ナットの締め付けによる軸力が低下し、ナットの緩み・嵌合セレーション部の摩耗等が起こることがある。更に、継手はホイールの転舵に伴い作動角が変化し、大きな転舵により継手カップ部に高い荷重が入力され、疲労破壊や静的破壊する場合がある。
従来、これらの対策として、肉厚や径の増加、高強度材料の使用、鍛造後調質の追加などの対策を実施している。更にステム部の曲げ疲労強度や内輪端面の突き当て面の摩耗対策として高周波熱処理を行っている。
しかし、肉厚や径の増加は重量量の増加を招く問題がある。また、高強度材料の使用は、硬さが増加し加工性の低下やコストの増加を招く。調質の追加は、コストの増加を招く。また、突き当て面の高周波熱処理部は、突き当て面とカップの交差部である角部が存在するため、角部は加熱されやすいため過熱する。そのため突き当て面は、十分な焼入れ加熱温度が得られず、焼入れ硬度が低下する場合がある。また、角部が過熱され、焼き割れが生じる事がある。
この発明の目的は、車輪用軸受装置の内輪端面と当接する内輪端面突き当て面が、フレッティングや軸受内輪のクリープ等による耐摩耗性に優れ、また、重量の増加を招くことが無く、加工性の低下やコストの増加を招く高強度材料の使用や調質の追加をする事無く、カップ部の強度に優れた等速自在継手を提供することである。
この発明の等速自在継手は、継手内輪と継手外輪との間に、これら内外輪間に回転を伝達するトルク伝達部材が設けられ、前記継手外輪がカップ部の外底面から突出するステム部を有し、前記ステム部が車輪用軸受装置のハブの貫通孔に挿通され、前記ハブの外周に嵌合した軸受内輪の端面に当接する内輪端面突き当て面を前記カップ部の外底面に有する等速自在継手において、
前記継手外輪が鋼材の鍛造品であり、この継手外輪は、母材部分が標準組織であって、前記外表層の一部が非標準組織の部分とされ、前記非標準組織が、上部ベイナイト組織、下部ベイナイト組織、焼戻マルテンサイト組織のうちのいずれか、もしくは少なくともこれらの組織のうちの２種類以上の混合組織であることを特徴とする。
前記非標準組織は、例えば、鍛造の工程の最後に冷却速度を制御することにより得られた組織である。具体的には、前記焼戻マルテンサイト組織は、鍛造工程の最後に、前記継手外輪の外表層の部分的または全体的に標準組織であるフェライト・パーライト変態が生じない冷却速度で冷却し、マルテンサイト変態温度以下まで冷却し、その後冷却を中止し内部の高温の熱を利用し復熱焼戻しを行うことで得られる。前記上部ベイナイト組織および下部ベイナイト組織は、鍛造工程の最後に、所定の冷却速度に制御し、室温程度まで冷却することで得られる。下部ベイナイト組織は、上部ベイナイト組織の場合よりも冷却速度を遅くすることで得られる。
この構成の等速自在継手によると、次の作用が得られる。等速自在継手の内輪端面突き当て面は、車輪用軸受装置の軸受内輪と当接し、フレッティングや軸受内輪のクリープ等によって摩耗を生じ易い部位である。しかし、上記上部ベイナイト組織、下部ベイナイト組織、焼戻マルテンサイト組織のうちのいずれか、もしくは少なくともこれらの組織のうちの２種類以上の混合組織の非標準組織の部分は、標準組織からなる母材部分に比べて組織が微細であり、また硬度も増加する。したがって、カップ部の強度が増加する。更に非標準組織は、焼入れ時の固溶化が容易なため焼入れ時の加熱温度を低下できる。このため、突き当て面の高周波焼入れの温度を低下しても十分な焼入れ硬さが得られ、摩耗が減少する。且つ、突き当て面の角部の焼き割れをも防止できる。局部的に冷却することにより、硬度の増加部分が一部分となるため、加工性の低下を最小限に抑えられる。
この発明の等速自在継手において、非標準組織の部分および標準組織の部分の硬さは適宜設定すれば良いが、例えば、非標準組織の硬さを３０〜４０ＨＲＣとし、母材部分の硬さを８５〜１０５ＨＲＢとしても良い。
非標準組織の部分の下限硬さは、母材よりも強度アップのために２５ＨＲＣとする。上限硬さは、被削性確保のため４０ＨＲＣとする。
使用材料は炭素鋼（Ｃ量０．４５〜０．７％）であるが、Ｓ５３Ｃの場合、標準部分の硬さは、８５〜１０５ＨＲＢとなる。
なお、この発明の等速自在継手において、鍛造工程の最後に冷却することで得られる組織としたものは、通常の鍛造品を再加熱したものを冷却しても良い。また、本発明は、鍛造にて成形される他の継手、例えばしゅう動型継手のＴＪやＤＯＪ、ＬＪなどの外輪に適用しても同様な効果が得られる。
この発明の等速自在継手は、継手内輪と継手外輪との間に、これら内外輪間に回転を伝達するトルク伝達部材が設けられ、前記継手外輪がカップ部の外底面から突出するステム部を有し、前記ステム部が車輪用軸受装置のハブの貫通孔に挿通され、前記ハブの外周に嵌合した軸受内輪の端面に当接する内輪端面突き当て面を前記カップ部の外底面に有する等速自在継手において、前記継手外輪が鋼材の鍛造品であり、この継手外輪は、母材部分が標準組織であって、前記内輪端面突き当て面が非標準組織の部分とされ、前記非標準組織が、上部ベイナイト組織、下部ベイナイト組織、焼戻マルテンサイト組織のうちのいずれか、もしくは少なくともこれらの組織のうちの２種類以上の混合組織で高周波焼入れ時に固溶化が容易なため、加熱温度を下げても十分な焼入れ硬さが得られ、焼き割れも防止できる。このため、車軸用軸受装置の内輪端面と当接する内輪端面突き当て面がフレッティングや軸受内輪のクリープなどによって摩耗することが減少する。また、非標準組織は、組織が微細で硬度が増加するため、カップ部の強度も増加する。
この発明の一実施形態を図１ないし図５と共に説明する。図１は、等速自在継手と車輪用軸受装置とを結合したドライブシャフト装置の破断正面図である。等速自在継手１は、継手内輪３と継手外輪４との間に、これら内外輪３，４間に回転を伝達するボールからなるトルク伝達部材５を設けたものである。継手内輪３は、シャフト６の外周に嵌合する部品であり、球形外面に軸方向に沿う複数本のトラック溝７を有している。継手外輪４は、継手内輪３が入るカップ部９と、このカップ部９の外底面９ａから突出したステム部１０とを有し、カップ部９の球形内面に、継手内輪３のトラック溝７に対応するトラック溝８を有している。継手内輪３と継手外輪４の対応するトラック溝７，８間に、前記トルク伝達部材５を介在させてある。トルク伝達部材５を保持する保持器１１は、その内面および外面が、それぞれ継手内輪３および継手外輪４の球形外面および球形内面に案内される球形面に形成されている。
図２に拡大して示すように、継手外輪４のステム部１０は外周にセレーション１２を有しており、先端が雄ねじ部１０ａに形成されている。継手外輪４のカップ部９の外底面９ａは、その内径側の部分が、図１の車輪用軸受装置２の軸受内輪２８の端面に当接する内輪端面突き当て面９ａａとされている。内輪端面突き当て面９ａａは、軸心に対して垂直な面とされている。
車輪用軸受装置２は、複列の転動体２３を介して互いに回転自在な内方部材２１および外方部材２２を有し、転動体２３は各列毎に保持器（図示せず）により保持されている。外方部材２２は、軸受外輪となるものであって、全体が一つの部品からなり、幅方向の任意の位置に車体取付用フランジ２５が設けられている。内方部材２１は、車体取付用フランジ２６を有するハブ２７と、このハブ２７のインボード側端の外周の段差部２９に嵌合した軸受内輪２８とでなる。これらハブ２７および軸受内輪２８に、各列の軌道面が形成されている。ハブ２７は中心部に貫通孔３１を有し、貫通孔３１の内径面にセレーション３２が設けられている。なお、この明細書において、車両に取付けた状態で車幅方向の外側となる側をアウトボード側と称し、中央側をインボード側と称す。
等速自在継手１の継手外輪４のステム部１０は、その外周のセレーション１２がハブ２７のセレーション３２に噛み合うように、ハブ２７の貫通孔３１に挿通される。ステム部１０の先端の雄ねじ部１０ａにはナット３３がねじ込まれる。このナット３３の締め付けにより、等速自在継手１の継手外輪４における内輪端面突き当て面９ａａが軸受内輪２８の端面に押し付けられ、車輪用軸受装置２と等速自在継手１とが結合される。
なお、車輪用軸受装置１は、図６に示すように、ハブ２７の外周に複列の軸受内輪２８が嵌合したものであっても良い。同図の車輪用軸受装置２は、主に軸受内輪２８と軸受外輪で外方部材２２と転動体２３とでなる完成品の複列軸受と、独立した部品のハブ２７とで構成されたものである。同図の車輪用軸受装置２においても、インボード側の軸受内輪２８の端面が等速自在継手１の継手外輪４における内輪端面突き当て面９ａａに押し付けられる。
等速自在継手１の継手外輪４は鋼材の鍛造品であり、この継手外輪４は母材部分が標準組織であって、前記内輪端面突き当て面９ａａが非標準組織の部分３０とされている。この非標準組織の部分３０は、ステム部１０の基端の外周面に渡って設けられている。
非標準組織部分３０の非標準組織は、鍛造工程の最後に、冷媒を浴びせることで、内輪端面突き当て面9ａａ付近を局部的に冷却することなどで得た組織であり、例えば、上部ベイナイト組織、下部ベイナイト組織、焼戻マルテンサイト組織のうちのいずれか、もしくは少なくともこれらの組織のうちの２種類以上の混合組織とされる。
図３は、継手外輪４の製造工程のうち、鍛造工程を示し、図４は継手外輪４の鍛造後の製造工程を示す。
図３（Ａ）に示すように、継手外輪４の１個分の素材となる素材が準備され、この素材は、鍛造の工程として、複数の工程、ここでは鍛造１パス、鍛造２パス、鍛造３パスを経て、次第に継手外輪４の形状に近づけ、最終鍛造工程（鍛造３パス）で、継手外輪４のおおまかな形状となる鍛造仕上がりの素材Ｗを得る（同図（Ｂ）〜（Ｄ））。
鍛造仕上がりの素材Ｗは、図４（Ａ）のように旋削され、トラック溝８などが高周波熱処理される（同図（Ｂ））。この後、トラック溝８などの研削が行われる（同図（Ｃ））。トラック溝８などの研削の完了した継手外輪４は、等速自在継手１に組み立てられる（同図（Ｄ））。
継手外輪４の前記非標準組織の部分３０は、図３（Ｄ）に示すように、鍛造工程の終了時に、改質対象箇所に冷媒を部分的に吹き付けることにより改質される。
冷媒は、液体、そのミストや気体、例えば、油、または低温エアー等が用いられる。また、冷媒には、用途に応じて、潤滑剤、メディア、防錆剤などを混入し、素材の潤滑・離型効果、金型の摩耗防止、冷却効果、鍛造後のショットブラスト等によるスケール落としの省略、防錆効果等を得るようにしても良い。
冷媒の吹き付け時は、全周に均一に冷却が行われるように、継手外輪４となる素材Ｗを、その軸心回りに回転させながら、冷媒を吹き付けても良い。また、素材Ｗは回転させずに、冷媒吹付け装置（図示せず）を回転させても良い。
冷媒の吹き付けは、噴出し孔を多数開けたリング状の冷却ジャケット（図示せず）を使用しても良いし、また継手外輪４となる素材Ｗを回転させるのであれば、１箇所のノズルから吹き付けるものであっても良い。
冷却時に継手外輪４となる素材Ｗを回転させる場合は、縦軸，横軸のどちらでも良い。また、冷媒の噴出し方向も、回転縦軸のときに上向き，下向きのいずれとしても良く、回転横軸のときに横向きの他、いずれの方向としても良い。
冷却時の継手外輪４となる素材Ｗの保持方法は、冷却部が均一に冷却されるのを阻害しなければ良く、ステム部１０の保持、カップ部９の外径部または内径部の保持等としても良い。
冷却により、非標準組織部分３０の組織を、前記上部ベイナイト組織、下部ベイナイト組織、焼戻マルテンサイト組織のうちのいずれか、もしくは少なくともこれらの組織のうちの２種類以上の混合組織にするかは、図５と共に示すように、冷却方法によって選択することができる。
図５において、横軸は時間の経過を、縦軸は温度を示す。図中のＡ3 は、Ａ3 変態点となる温度、Ａ1 はＡ1 変態点となる温度である。Ｍs はマルテンサイト・スタート・ポイント（以下「Ｍs 点」と称す）であり、Ｍf はマルテンサイト・フィニッシュ・ポイント（以下「Ｍf 点」と称す）である。
素材となる鋼材は、例えばＳ５３Ｃ等のＣ量が０．４５〜０．７５％の炭素鋼である。
図５において、曲線(0) に示すように、継手外輪を鍛造温度Ｔ１（Ａ3 変態点よりも高い）から単に空冷すると、従来の鍛造による組織である標準組織、すなわちフェライト・パーライト組織となる。
曲線(1) ，(2) は、それぞれ非標準組織として焼戻マルテンサイト組織を得る場合の冷却曲線である。鍛造工程の最後、つまり鍛造を終えて冷却されるまでの間に、図３（Ｄ）のように冷媒を浴びせることで改質対象の継手外輪（素材）を部分的にＭs 点以下でＭf 点以上の範囲まで冷却し、その後、所定温度範囲内で復熱焼戻しを行うことで、非標準組織として焼戻マルテンサイト組織が得られる。復熱焼戻しの温度を約５００〜６００℃程度とすると、組織はソルバイトとなる。復熱焼戻しの温度を約３５０〜４００℃程度とすると、組織はトルースタイトとなる。
曲線(3) ，(4) は、それぞれ非標準組織として上部ベイナイトおよび下部ベイナイトを得る場合の冷却曲線を示す。鍛造工程の最後に、制御冷却として、焼入れの冷却速度（マルテンサイトが生成する冷却速度）よりややゆっくり冷却することで、組織は上部ベイナイトとなる。この冷却速度よりもさらにゆっくりとした冷却速度の焼入れを行うと、組織は下部ベイナイトとなる。
なお、図５では各種の冷却方法を述べたが、図１の例における継手外輪４の内輪端面突き当て面９ａａ等のように局部的に非標準組織の部分３０を設ける場合は、図５の各曲線(1) 〜(4) で示す冷却方法のうち、曲線(1) 〜(2) に示す方法が好ましい。継手外輪の全体の表面を非標準組織の部分３０とする場合は、冷却曲線(3) , (4) に示す方法であってもよい。
この構成の車輪用軸受装置によると、次の作用効果が得られる。等速自在継手１の内輪端面突き当て面９ａａは、車輪用軸受装置２の軸受内輪２８の端面と当接し、フレッティングや軸受内輪２８のクリープ等によって摩耗を生じ易い部位である。しかし、上記上部ベイナイト組織、下部ベイナイト組織、焼戻マルテンサイト組織のうちのいずれか、もしくは少なくともこれらの組織のうちの２種類以上の混合組織の非標準組織の部分３０は、標準組織からなる母材部分に比べて組織が微細であり、また硬度も増加する。したがって、カップ部の強度が増加する。更に非標準組織は、焼入れ時の固溶化が容易なため焼入れ時の加熱温度を低下できる。このため、突き当て面の高周波焼入れの温度を低下しても十分な焼入れ硬さが得られ、摩耗が減少する。且つ、突き当て面の角部の焼き割れをも防止できる。
強度が増加するため、肉厚増加による重量の増加を招くことが無く、高強度材料を使用や調質の追加による加工性の低下やコストの増加を招くことがない。
前記非標準組織を部分的な冷却等によって継手外輪４に部分的に設ける場合は、硬度アップが必要箇所のみであるため、被削性等の加工性の低下が最小限に抑えられる。
図１の実施例での、実車での旋回Ｇが０．８となる荷重条件での軸受回転試験における、内輪端面突き当て面９ａａの摩耗特性について、従来例との比較として表１に示す。 実施例の摩耗量は、従来例に対し２５％減少した。鍛造後硬さ及び高周波熱処理後硬さは、実施例の方が従来例より高くなっており、硬さアップの効果で摩耗量が減少した。
Figure 2007064262
また、継手外輪カップ部表層を非標準組織とした場合の実施例において、カップ部の静捩り強度試験（作動角４６°）での結果を、従来例との比較として表２に示す。
実施例の静捩り強度は、従来例に対し２０％向上した。鍛造後硬さ及び高周波熱処理後硬さは、実施例の方が従来例より高くなっており、硬さアップの効果で静捩り強度が向上した。
Figure 2007064262
なお、前記各実施形態で、鍛造工程の最後を冷却することで得られるとしたものは通常の鍛造品を加熱したものを冷却しても良い。
この発明の一実施形態に係る等速自在継手と車輪用軸受装置とを結合したドライブシャフト装置の破断正面図である。 その継手外輪の破断正面図である。 同継手外輪の鍛造工程の工程説明図である。 同継手外輪の鍛造後の工程の工程説明図である。 熱間鍛造された継手外輪の各種非標準組織を得る冷却曲線の説明図である。 同等速自在継手と結合する車輪用軸受装置の他の例を示す断面図である。
符号の説明
１…等速自在継手
２…車輪用軸受装置
３…継手内輪
４…継手外輪
５…トルク伝達部材
７，８…トラック溝
９…カップ部
９ａａ…内輪端面突き当て面
１０…ステム部
１０ａ…雄ねじ部
１２…セレーション
２１…内方部材
２２…外方部材
２７…ハブ
２８…軸受内輪
３０…非標準組織の部分
３１…貫通孔
３２…セレーション
３３…ナット

Claims (2)

  1. 継手内輪と継手外輪との間に、これら内外輪間に回転を伝達するトルク伝達部材が設けられ、前記継手外輪がカップ部の外底面から突出するステム部を有し、前記ステム部が車輪用軸受装置のハブの貫通孔に挿通され、前記ハブの外周に嵌合した軸受内輪の端面に当接する内輪端面突き当て面を前記カップ部の外底面に有する等速自在継手において、
    前記継手外輪が鋼材の鍛造品であり、この継手外輪部品は、母材部分が標準組織であって、外表層の一部が非標準組織の部分とされ、前記非標準組織が、上部ベイナイト組織、下部ベイナイト組織、焼戻マルテンサイト組織のうちのいずれか、もしくは少なくともこれらの組織のうちの２種類以上の混合組織であることを特徴とする等速自在継手。
  2. 継手内輪と継手外輪との間に、これら内外輪間に回転を伝達するトルク伝達部材が設けられ、前記継手外輪がカップ部の外底面から突出するステム部を有し、前記ステム部が車輪用軸受装置のハブの貫通孔に挿通され、前記ハブの外周に嵌合した軸受内輪の端面に当接する内輪端面突き当て面を前記カップ部の外底面に有する等速自在継手において、
    前記継手外輪が鋼材の鍛造品であり、この継手外輪部品は、母材部分が標準組織であって、外表層の一部が非標準組織の部分とされ、前記非標準組織が、鍛造の最後に冷却して自己復熱させるかまたは復熱保持焼戻しをすることで得られた組織である等速自在継手。
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