JP2007138192A - 部品結合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属製の筒部材３１の内周に金属製の軸部材２の端部を嵌合した状態で一体的に結合する方法において、両部材２，３１間のトルク伝達容量を可及的に高める。
【解決手段】軸部材２として、その端部外周面の円周数ヶ所に軸方向に伸びる歯部２ａが設けられるとともに当該端部の中心部分に中空部２ｃが設けられかつ当該端部が未硬化とされたものを用意する。筒部材３１として、その内周面が円筒形に形成されかつ少なくとも当該内周面が熱硬化処理されたものを用意する。筒部材３１の内周面３１ｃに軸部材２の端部を高速で圧入嵌合することにより当該嵌合部分を摩擦溶着させてから、軸部材２の中空部２ｃ側から歯部２ａまでの肉厚全体に熱硬化処理を施す。これにより、結合部分の機械的強度が増す。
【選択図】図５

Description

本発明は、筒部材の内周に軸部材の端部を嵌入した状態で結合する方法に関する。

一般的に、自動車や産業機械等では、いろいろな動力伝達軸が使用されている。この種の動力伝達軸において、等速ジョイントを使用する場合には、この等速ジョイントの内筒部材を軸部材の端部外周に嵌合して結合することにより、トルク伝達可能な状態とする必要がある。

このような結合には、一般的に、セレーション嵌合やスプライン嵌合が利用される（例えば特許文献１参照。）。

この従来例では、機械的な結合強度を十分なものにできるものの、内筒部材の内周面と軸部材の端部外周面とに、セレーションやスプラインを機械加工技術あるいは塑性加工技術等によって形成する必要があり、加工が面倒でコストが嵩む他、セレーションやスプラインの噛合部にバックラッシが存在するために、トルク伝達時に僅かな遊びが発生するといったことが懸念される。

これに対し、例えば内筒部材の内周面に軸部材の一端側を高速で圧入嵌合して摩擦溶着させる慣性圧入法が考えられている（例えば特許文献２，３参照。）。この技術では、圧入嵌合後に、熱硬化処理を行っていない。
特開２００５−１４６３１３号公報 特許第３２８４８８７号公報 特許第３６２２４７９号公報

上記従来例では、内筒部材と軸部材の端部との嵌合部分を摩擦溶着により結合させているが、両部材間のトルク伝達容量を高めることに限界があり、使用用途によってはトルク伝達容量が不足することが懸念される。特に、トルク伝達容量を高めるには、軸部材側の硬度を高めることも重要であり、軸部材を未硬化の生材としている場合には、トルク伝達容量を所定以上高めることは難しいと言える。

本発明は、筒部材の内周に軸部材の端部を嵌入した状態で結合する方法において、前記両部材間のトルク伝達容量を可及的に高めることを目的としている。

本発明は、金属製の筒部材の内周に金属製の軸部材の端部を嵌合した状態で当該嵌合部分を一体的に結合する方法であって、前記筒部材および前記軸部材として、一方の嵌合面の円周数ヶ所に歯部が設けられ、他方の嵌合面が円筒形とされ、かつ、前記いずれか片方の嵌合面が未硬化とされ、残り片方の嵌合面が熱硬化処理されたものを用意し、前記筒部材の内周に前記軸部材の端部を高速で圧入嵌合することにより当該嵌合部分を摩擦溶着させてから、前記未硬化側の部材に熱硬化処理を施すことを特徴としている。

なお、圧入嵌合については、軸部材を筒部材側へ高速移動させる形態で記載しているが、筒部材を軸部材側へ高速で移動させる形態、あるいは両部材を共に高速移動させる形態であってもよい。前記未硬化とは、熱硬化処理を施していないという意味である。

この構成によれば、高速で圧入嵌合すると、筒部材と軸部材とのうち未硬化側の部材の嵌合部分が摩擦熱でもって溶融されることになって、熱硬化処理されている側の部材の嵌合部分に溶着することになり、その後の熱硬化処理によって前記未硬化側の部材および前記溶着部分の硬度が高められる。

これにより、両部材の結合部分の機械的強度が高められるので、両部材間におけるトルク伝達容量の増大が可能になる。

好ましくは、前記熱硬化処理は、未硬化側の部材および前記溶着部分を焼入れする工程と、前記焼入れ部分を強制的に冷却する工程とを含む構成とされる。

この構成によれば、焼入れ温度、焼入れ時間、冷却温度、冷却時間等を適宜に管理することにより、前記溶着部分およびその周辺を任意の硬度を適正に管理することが可能になる。

本発明は、金属製の筒部材の内周に金属製の軸部材の端部を嵌合した状態で当該嵌合部分を一体的に結合する方法であって、前記軸部材として、その端部外周面の円周数ヶ所に軸方向に伸びる歯部が設けられるとともに当該端部の中心部分に中空部が設けられかつ当該端部が未硬化とされたものを用意し、前記筒部材として、その内周面が円筒形に形成されかつ少なくとも当該内周面が熱硬化処理されたものを用意し、前記筒部材の内周に前記軸部材の端部を高速で圧入嵌合することにより当該嵌合部分を摩擦溶着させてから、前記軸部材の中空部側から歯部までの肉厚全体に熱硬化処理を施すことを特徴としている。

この構成によれば、高速で圧入嵌合すると、軸部材の端部における未硬化の歯部が摩擦熱でもって溶融されることになって、熱硬化処理されている筒部材の円筒形内周面に溶着することになり、その後の熱硬化処理によって前記軸部材の端部および前記溶着部分の硬度が高められる。

これにより、両部材の結合部分の機械的強度が高められるので、両部材間におけるトルク伝達容量の増大が可能になる。

好ましくは、前記熱硬化処理は、軸部材の中空部内から高周波焼入れを行う工程と、前記焼入れ部分を前記中空部内から強制的に冷却する工程とを含む構成とされる。

この構成によれば、軸部材に設けている中空部を利用することによって、未硬化状態の軸部材に対し高周波焼入れや冷却を含む熱硬化処理を施すようにしているから、この熱硬化処理を簡単かつ迅速に行えるようになる。

これにより、予め熱硬化処理している筒部材に対し、軸部材に対する熱硬化処理時の熱が伝わるものの、焼入れ後に強制的に冷却しているから、冷却温度や冷却時間を適宜に管理することにより、前記溶着部分およびその周辺を任意の硬度を適正に管理することが可能になる。

好ましくは、前記軸部材は、車両のドライブシャフトに備える中間軸とされ、前記筒部材は、前記ドライブシャフトに備える等速ジョイントの内筒部材とされる。

この構成によれば、ドライブシャフトの中間軸と等速ジョイントの内筒部材との結合が、十分な機械的強度を確保した状態で比較的簡単に行えるようになり、安価で信頼性の高いドライブシャフトを提供するうえで有利となる。

本発明によれば、筒部材の内周に軸部材の端部を嵌入した状態で結合する方法において、前記両部材間のトルク伝達容量を可及的に高めることが可能になる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。この実施形態では、図１に示す自動車のドライブシャフト１の所定部分に本発明を適用する例を挙げる。

図１に示すように、ドライブシャフト１は、軸部材としての中間軸２の一端部にインボードジョイント３が、中間軸２の他端部にアウトボードジョイント４がそれぞれ装着された構成になっており、中間軸２とインボードジョイント３との結合部分、および中間軸２とアウトボードジョイント４との結合部分に、本発明の結合方法が適用されている。

このドライブシャフト１は、図示していないが、インボードジョイント３が例えば前輪駆動式車両の車幅方向中央に配置されるディファレンシャル内に連結されるようになっていて、アウトボードジョイント４が例えば車輪取り付け用のハブユニットに連結されるようになっている。

インボードジョイント３は、例えば公知のトリポード型等速ジョイントが、また、アウトボードジョイント４は、例えば公知のバーフィールド型等速ジョイントがそれぞれ採用されており、これらの構成や動作は公知であるが、以下で簡単に説明する。

インボードジョイント３は、図２に示すように、内筒部材３１と、外筒部材３２と、複数のローラ３３と、ケージアンドローラタイプのベアリング３４とを含み、その内部にはグリース等の潤滑剤がブーツ３５によって封入されるようになっている。

内筒部材３１は、中間軸２の一端側外周に嵌合固定されるもので、その外径側の円周数ヶ所（３ヶ所）には、径方向外向きに突出するトラニオン３１ａが設けられている。この内筒部材３１の各トラニオン３１ａの外周に、ローラ３３がそれぞれベアリング３４を介して回動自在に外装されている。

外筒部材３２は、内筒部材３１の外径側に配置されるもので、有底円筒形とされていて、その内径側の円周数ヶ所（３ヶ所）には、軸方向に沿う直線溝３２ａが、また、底部中心には、軸方向に突出する軸部３２ｂが設けられている。この外筒部材３２の直線溝３２ａ内にローラ３３が転動可能に収納されている。

アウトボードジョイント４は、図４に示すように、内筒部材４１と、外筒部材４２と、複数のボール４３と、保持器４４とを含み、その内部にはグリース等の潤滑剤がブーツ４５によって封入されるようになっている。

内筒部材４１は、中間軸２の他端側外周に嵌合固定されるもので、その外径側の円周数ヶ所（３ヶ所）には、軸方向に沿うとともに軸方向で湾曲する外側湾曲溝４１ａが設けられている。

外筒部材４２は、内筒部材４１の外径側に配置されるもので、有底円筒形とされていて、その内径側の円周数ヶ所（３ヶ所）には、軸方向に沿うとともに軸方向で湾曲する内側湾曲溝４２ａが、また、底部中心には、軸方向に突出する軸部４２ｂが設けられている。

内筒部材４１の外側湾曲溝４１ａと外筒部材４２の内側湾曲溝４２ａとの対向間に、保持器４４で保持されているボール４３が対応して転動自在に介装されている。

次に、上述した中間軸２の一端側に対するインボードジョイント３の内筒部材３１の結合方法と、中間軸２の他端側に対するアウトボードジョイント４の内筒部材４１の結合方法について、以下で詳細に説明する。

まず、中間軸２については次のようなものを用意する。つまり、中間軸２として、その中心部分に中空部としての貫通孔２ｃを設けた円筒形部材とし、この中間軸２の両端の外周面に歯部としてのスプライン２ａ，２ｂを形成したものとする。なお、スプライン２ａ，２ｂの代わりに、セレーションとすることもできる。この中間軸２の両端のスプライン２ａ，２ｂが存在する領域を未硬化状態にし、それ以外の領域については適宜の硬度に熱硬化処理している。この事前熱硬化処理による硬化層を、図において破線で示し符号２ｄを付している。

また、両方の内筒部材３１，４１については次のようなものを用意する。つまり、両内筒部材３１，４１の内周面３１ｃ，４１ｃを共に円筒形に形成し、この両内筒部材３１，４１の外部に露呈する外表面全体を適宜の硬度に熱硬化処理している。この硬化層は図中に記載していないが、その深さについては任意である。

なお、中間軸２や内筒部材３１，４１は、例えば適宜の炭素鋼（例えばＪＩＳ規格Ｓ４０Ｃ〜Ｓ４５Ｃ）を基材として整形してから、必要部位（中間軸２の両端のスプライン２ａ，２ｂ以外の外表面および両内筒部材３１，４１の外表面全体）に適宜の熱硬化処理を施すことによって形成される。なお、中間軸２の両端のスプライン２ａ，２ｂについては、例えば冷間転造等の方法で塑性加工することができるが、切削加工により形成することができる。

前述の中間軸２に対する熱硬化処理は、例えば高周波焼入れで部分的に行うか、あるいは部分的にマスキングを施した状態で炉内で加熱することによって行うことができる。

なお、中間軸２のスプライン２ａ，２ｂの歯先それぞれを結ぶ円径Ｒ１は、内筒部材３１，４１の内周面３１ｃ，４１ｃの内径Ｒ２よりも適宜大きく設定され、この径差が圧入時の締め代とされる。

ここで、図５（ａ）の矢印で示すように、インボードジョイント３の内筒部材３１における内周面３１ｃに中間軸２の一端側のスプライン２ａを、また、図６（ａ）の矢印で示すように、アウトボードジョイント４の内筒部材４１における内周面４１ｃに中間軸２の他端側のスプライン２ｂを、それぞれ高速（例えば３０〜１００ｍ／ｓ）で圧入嵌合する。この作業は、片方ずつ行う。

この作業は、慣性圧入法と呼ばれており、例えば特開第３２８４８８７号公報や特許第３６２２７９号公報に開示されている公知技術を利用することができる。

このような慣性圧入を行う過程では、摩擦熱が発生するが、事前に中間軸２の両端のスプライン２ａ，２ｂが未硬化とされているとともに内筒部材３１，４１の内周面３１ｃ，４１ｃが熱硬化処理されている関係より、前記摩擦熱でもってスプライン２ａ，２ｂの歯先が溶融されて内筒部材３１，４１の内周面３１ｃ，４１ｃに溶着することになる。この溶着部分は、概ね、例えば図３に記載している二本の仮想線（二点鎖線）の間で発生するようになるが、溶着した様子は厳密に示していない。

なお、前記圧入速度は、中間軸２や内筒部材３１，４１の素材や圧入嵌合代等に応じて摩擦溶着を確実にするように管理するのが好ましい。

そして、上述した摩擦溶着後には、中間軸２の貫通孔２ｃの一端側と他端側との内部からそれぞれ熱硬化処理を施すことにより、中間軸２の両端においてスプライン２ａ，２ｂの存在する領域の肉厚全体を所定の硬度に硬化させる。

この熱硬化処理は、中間軸２を高周波焼入れする工程と、この焼入れした部分を強制的に冷却する工程とを含む。

高周波焼入れ工程では、図５（ｂ）および図６（ｂ）に示すように、中間軸２の貫通孔２ｃの一端側と他端側との内部に高周波加熱コイル１０を挿入し、この高周波加熱コイル１０により中間軸２の貫通孔２ｃ内から中間軸２の一端側および他端側の肉厚部分全体を所定温度で加熱する。

強制冷却工程では、図示していないが、中間軸２の貫通孔２ｃの一端側と他端側との内部に、例えば気体、液体等の適宜の冷却媒体を噴射させることにより前記焼入れした部分を強制的に冷却する。なお、熱硬化処理により硬化される領域は、例えば図２から図４においてドット模様を付して示している。

なお、上記高周波焼入れ工程での焼入れ温度と、上記強制冷却工程での冷却媒体の温度や噴射時間は、対象となる素材や使用用途に応じて摩擦溶着部分およびその周辺に必要な硬度を確保するように適宜管理するのが好ましい。

このように、中間軸２の貫通孔２ｃ内から未硬化状態の肉厚全体に対し高周波焼入れや強制冷却を含む熱硬化処理を施すようにしているから、この熱硬化処理を簡単かつ迅速に行えるようになる。

しかも、中間軸２に貫通孔２ｃを設けることによって中間軸２の一端側および他端側における肉厚部分（径方向厚み）を軸方向で略一定としているので、高周波焼入れ時や強制冷却時において摩擦溶着部分およびその周辺を略均一にかつ効率よく加熱または冷却することが可能になり、中間軸２の両端部分および溶着部分における硬度の管理が正確に行えるようになる。

以上説明したように、中間軸２の一端側とインボードジョイント３の内筒部材３１とを、また、中間軸２の他端側とアウトボードジョイント４の内筒部材４１とをそれぞれ結合するにあたって、内筒部材３１，４１の円筒面に中間軸２の両端のスプライン２ａ，２ｂを慣性圧入することによって摩擦溶着させておいて、中間軸２の両端部分および前記溶着部分の硬度を高めるようにしている。

これにより、結合部分における機械的強度を十分に高めることができるので、中間軸２と両ジョイント３，４との間におけるトルク伝達容量を可及的に高く設定することが可能になる。

以下、本発明の他の実施形態について説明する。

（１）上記実施形態では、中間軸２について、その中心に軸方向に貫通する貫通孔２ｃを設けたものを例に挙げているが、図７および図８に示すように、中間軸２の両端に軸方向から凹む中空部２ｃ１，２ｃ２を設けたものとすることができる。この中空部２ｃ１，２ｃ２の軸方向深さは、スプライン２ａ，２ｂの軸方向長さと略同じとするか、あるいは若干長くても短くてもよい。

この場合、中空部２ｃ１，２ｃ２に高周波加熱コイル１０を挿入して焼入れを行うことができるので、上記実施形態と略同様の作用、効果が得られる。

（２）図示していないが、上記実施形態とは逆に、内筒部材３１，４１の内周面にスプラインを設けて、中間軸２の外周面の両端側を円筒形にしてもよい。

この場合、事前に熱硬化処理されている内筒部材３１，４１のスプラインが、未硬化状態の中間軸２の外周面よりも硬質となる関係上、慣性圧入時に中間軸２の外周面にスプラインの歯先が食い込むことになって、この食い込み部分が摩擦溶着されることになる。これにより、中間軸２と内筒部材３１，４１との結合部分の強度がさらなる向上が可能になる。

（３）上記実施形態や上記（２）に示す実施形態において、結合前に、中間軸２の両端部分を熱硬化処理しておくとともに、内筒部材３１，４１の内周面を未硬化状態とする関係とすることも可能である。

この場合、慣性圧入の後で内筒部材３１，４１の内周面を熱硬化処理する必要があるが、その熱硬化処理での焼入れについて、内筒部材３１，４１の内周面を加熱することができないので、例えば炉内で全体を加熱する形態とすることができる。また、強制冷却については、内筒部材３１，４１の内周面に冷却媒体を直接的に吹き付けることができないので、内筒部材３１，４１の側面に対し冷却媒体を噴射させることにより溶着部分を冷却する形態とすることができる。

（４）上記実施形態では、中間軸２の両端とジョイント３，４の内筒部材３１，４１との結合部分に本発明の結合方法を適用した例を挙げたが、図１に示すインボードジョイント３の外筒部材３２の軸部３２ｂを、例えば図９に示すように外筒部材３２と別体の軸部材３６とする場合には、外筒部材３２の底部中心に設けられる貫通孔３２ｄと軸部材３６との結合部分に本発明の結合方法を適用できる。

つまり、図９（ａ）に示すように、外筒部材３２と別体の軸部材３６の一方軸端には小径部３６ａが設けられており、この小径部３６ａの外周面にスプライン３６ｂ（またはセレーション）が設けられている。また、外筒部材３２の貫通孔３２ｄの内周面は円筒形に形成されている。このスプライン３６ｂの歯先それぞれを結ぶ円径Ｒ１は、貫通孔３２ｄの内径Ｒ２よりも適宜大きく設定され、この径差が圧入時の締め代とされる。

そして、軸部材３６の小径部３６ａを外筒部材３２の貫通孔３２ｄに、上記実施形態で説明したように、慣性圧入法でもって摩擦溶着させてから、図９（ｂ）に示すように、高周波加熱コイル１０を軸部材３６の中空部としての貫通孔３６ｃ内に挿入した状態で熱硬化処理を施すことにより、外筒部材３２と軸部材３６とを一体的に結合する。この場合も、上記実施形態と同様の作用、効果が得られ、結合部分の機械的強度を可及的に高めることができる。

ところで、上記実施形態におけるドライブシャフト１のアウトボードジョイント４の外筒部材４１についても、上述したインボードジョイント３側と同様の構造とする場合には、このアウトボードジョイント４側にも上記同様に本発明の結合方法を適用することができる。

（５）上記実施形態では、本発明を車両のドライブシャフト１に適用した場合を例に挙げたが、車両のプロペラシャフトやアクスルシャフト、あるいは各種の産業機械等に用いる動力伝達軸にも本発明を適用することができる。

（６）上記実施形態では、中間軸２の一端側と他端側とで異なる形式のジョイント３，４を用いているが、これらのジョイント３，４は、いずれか一方と同じ形式のものを中間軸２の両端に用いてもよいし、また、上記実施形態のようなローラ３３やボール４３を使用した形式とせずに、それ以外の種々な公知の形式のものを採用可能である。

本発明に係る部品結合方法を適用するドライブシャフトの構成を示す断面図である。 図１のインボードジョイントと中間軸との結合部分を拡大して示す図である。 図２の（３）−（３）線断面の矢視図である。 図１のアウトボードジョイントと中間軸との結合部分を拡大して示す図である。 図２のアウトボードジョイントと中間軸とを結合するときの手順を説明する図であり、（ａ）は結合前の状態を、（ｂ）は結合後の焼入れの様子を示している。 図４のインボードジョイントと中間軸とを結合するときの手順を説明する図であり、（ａ）は結合前の状態を、（ｂ）は結合後の焼入れの様子を示している。 図１に示す中間軸に設ける中空部形状を変更した例で、図５（ｂ）に対応する図である。 図１に示す中間軸に設ける中空部形状を変更した例で、図６（ｂ）に対応する図である。 本発明に係る部品結合方法の他の適用対象を用いる例で、（ａ）は結合前の状態を、（ｂ）は結合後の焼入れの様子を示している。

符号の説明

１ ドライブシャフト
２ 中間軸（軸部材）
２ａ 中間軸の一端側のスプライン（歯部）
２ｂ 中間軸の他端側のスプライン（歯部）
２ｃ 中間軸の貫通孔（中空部）
２ｄ 中間軸の硬化層
３ インボードジョイント
３１ インボードジョイントの内筒部材（筒部材）
３１ｃ 内筒部材の円筒形内周面
４ アウトボードジョイント
４１ アウトボードジョイントの内筒部材（筒部材）
４１ｃ 内筒部材の円筒形内周面

Claims (5)

1. 金属製の筒部材の内周に金属製の軸部材の端部を嵌合した状態で当該嵌合部分を一体的に結合する方法であって、
   前記筒部材および前記軸部材として、一方の嵌合面の円周数ヶ所に歯部が設けられ、他方の嵌合面が円筒形とされ、かつ、前記いずれか片方の嵌合面が未硬化とされ、残り片方の嵌合面が熱硬化処理されたものを用意し、
   前記筒部材の内周に前記軸部材の端部を高速で圧入嵌合することにより当該嵌合部分を摩擦溶着させてから、前記未硬化側の部材に熱硬化処理を施すことを特徴とする部品結合方法。
2. 請求項１において、前記熱硬化処理は、未硬化側の部材および前記溶着部分を焼入れする工程と、前記焼入れ部分を強制的に冷却する工程とを含むことを特徴とする部品結合方法。
3. 金属製の筒部材の内周に金属製の軸部材の端部を嵌合した状態で当該嵌合部分を一体的に結合する方法であって、
   前記軸部材として、その端部外周面の円周数ヶ所に軸方向に伸びる歯部が設けられるとともに当該端部の中心部分に中空部が設けられかつ当該端部が未硬化とされたものを用意し、前記筒部材として、その内周面が円筒形に形成されかつ少なくとも当該内周面が熱硬化処理されたものを用意し、
   前記筒部材の内周に前記軸部材の端部を高速で圧入嵌合することにより当該嵌合部分を摩擦溶着させてから、前記軸部材の中空部側から歯部までの肉厚全体に熱硬化処理を施すことを特徴とする部品結合方法。
4. 請求項３において、前記熱硬化処理は、軸部材の中空部内から高周波焼入れを行う工程と、前記焼入れ部分を前記中空部内から強制的に冷却する工程とを含むことを特徴とする部品結合方法。
5. 請求項１から４のいずれかにおいて、前記軸部材は、車両のドライブシャフトに備える中間軸とされ、前記筒部材は、前記ドライブシャフトに備える等速ジョイントの内筒部材とされることを特徴とする部品結合方法。

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